Co to jest dziedziczność i czym się zajmuje genetyka?
Codzienna obserwacja roślin i zwierząt, czy też człowieka wskazuje na to, że potomstwo jest przede wszystkim tego samego gatunku co jego rodzice. Nigdy w potomstwie psów nie urodzą się kocięta! Co więcej potomstwem jamników są zawsze jamniki. Często rodzice przekazują potomstwu nawet bardzo drobne szczegóły budowy ciała. Moje dzieci, a także i wnuki, mają zupełnie tak samo jak ja zakrzywione do wewnatrz małe palce u rąk; niewątpliwie tę cechę odziedziczyły po mnie. Wiemy wszakże, że w potomstwie mogą się pojawić także nie obserwowane u rodziców cechy, które
prawdopodobnie występowały u ich dalszych przodków. Zjawiska dziedziczności od wieków budziły zainteresowania ludzkości i były przedmiotem nie tylko licznych czasem wręcz fantastycznych domysłów, ale także od wieków były praktycznie wykorzystywane w hodowli roślin i zwierząt. Dopiero jednak w obecnym stuleciu zostały one w zasadzie, choć nie we wszystkich szczegółach, poznane, a ich przyczyny wyjaśnione. Głównymi problemami nauki o dziedziczności, czyli genetyki, jest uzyskanie odpowiedzi na następujące zasadnicze pytania:
1. Czy istnieją odrębne czynniki dziedziczne wyznaczające określone cechy organizmów?
2. Jeśli takie czynniki istnieją, to gdzie w komórkach one występują?
3. Według jakich zasad czynniki te przekazywane sa komórkom potomnym podczas podziałów mitotycznych i czy każda zróżnicowana komórka wielokomórkowego organizmu zawiera ten sam zespół czynników dziedzicznych?
4. Według jakich zasad czynniki dziedziczne sa przekazywane do komórek płciowych, gamet, a za ich pośrednictwem osobnikom następnych pokoleń?
5. Jakie są właściwości fizyczne i chemiczne tych czynników dziedzicznych, które obecnie nazywamy genami?
6. W wyniku jakich procesów zawarte w komórkach geny powodują wytwarzanie wszelkich cech organizmu?
Na wszystkie te pytania można już dziś dać dość wyczerpujące odpowiedzi. Najkrócej można je sformułować tak:
1. Każdy organizm posiada bardzo liczne, sobie właściwe, odrębne geny wyznaczające różne jego właściwości dziedziczne.
2. Geny występują w jądrze komórkowym - w chromosomach.
3. Podczas mitozy następuje podwojenie chromosomów z zawartymi w nich genami.Cały zespół chromosomów wraz z kompletem genów jest następnie przekazywany komórkom potomnym. W czasie procesów różnicowania się komórek w organizmach wielokomórkowych
poszczególne grupy genów są bądź wyłączane, badź włączane, tzn. albo przejawiają swe działanie, albo są nieaktywne.
4. Podczas powstawania gamet w podziałach mejotycznych chromosomy i zawarte w nich geny są według określonych zasad rozdzielane i segregowane. W procesie zapłodnienia gamety wprowadzają do zygot, z których powstają osobniki potomne, geny - pochodzące od obojga rodziców - w bardzo różnych kombinacjach.
5. W całym świecie ożywionym geny mają te same właściwości chemiczne i stanowią odrębne odcinki związku chemicznego zwanego kwasem deoksyrybonukleinowym, który oznaczać będziemy skrótem DNA. DNA jest związkiem chemicznym o charakterze polimeru - stanowi on długi łańcuch złożony z czterech odrębnych elementów składowych, zwanych nukleotydami. Poszczególne geny różnią się ilością i kolejnością ułożenia nukleotydów w łańcuchu DNA.
6. Kolejność ułożenia nukleotydów w łańcuchach DNA stanowi jakby zaszyfrowany zapis właściwości dziedzicznych organizmów-kod genetyczny.
Poznanie w latach pięćdziesiątych naszego stulecia struktury i roli DNA w procesach dziedziczenia jest niewątpliwie najistotniejszym osiągnięciem w całej historii biologii - osiągnięciem o podstawowym znaczeniu dla wyjaśnienia zasad funkcjonowania i ewolucji świata ożywionego. Stwierdzenie, że DNA zawiera zaszyfrowaną informację genetyczną, postawiło przed genetyką nowe zasadnicze pytania. Jakim szyfrem posługują się organizmy? Co właściwie jest zaszyfrowane w DNA? Jak ten zaszyfrowany zapis jest odczytywany i tłumaczony? W dalszych częściach tego rozdziału będziemy bardziej szczegółowo odpowiadać na te pytania. W skrócie odpowiedź jest następująca. Zapis w genach służy przede wszystkim (choć nie wyłącznie/ do kierowania w komórce syntezą różnych rodzajów białek będących podstawowym składnikiem materii ożywionej. W komórce może występować kilka tysięcy rodzajów białek. Białka są to również zwiazki łańcuchowe złożone z wielu kombinacji 20 różnych
podjednostek zwanych aminokwasami. Struktura genów i białek ma więc jedną podstawową cechę wspólną - są to związki łańcuchowe złożone z 4 bądź 20 rodzajów podjednostek ułożonych w różnej kolejności, czyli sekwencji. Białka odgrywają w procesach życiowych bardzo ważne funkcje. Z jednej strony są one podstawowym budulcem wszelkich struktur komórkowych, a z drugiej strony są one katalizatorami, czyli enzymami wszelcich procesów przemiany materii (czyli metabolizmu/, zachodzących w żywych organizmach. Wzrost i rozwój całego organizmu, np. ryby czy kota, zaczyna się od jednej zapłodnionej komórki jajowej, czyli zygoty. Zygoty kota czy ryby są to pozornie dość podobne pojedyncze komórki, które dzięki odmiennej informacji genetycznej rozwijają się w odrębne organizmy kota i ryby. Zygota w wyniku licznych podziałów komórkowych stopniowo rozwija się w dorosłego osobnika pobierając przez cały czas pokarm, który przekształca na własne składniki. Najbardziej swoistymi składnikami żywych organizmów są ich białka strukturalne i enzymatyczne, które u każdego gatunku wykazują odrębny skład i, co najważniejsze, różną kolejność ułożenia aminokwasów w łańcuchach białkowych. Odrębność strukturalna białek w różnych organizmach powoduje różnorodność budowy składników komórkowych, a przede wszystkim odrębność procesów metabolicznych. Wyobraźmy sobie, że młode kocięta będziemy karmić tylko mięsem rybim, a tym samym białkiem rybim, a pomimo to organizm koci będzie wytwarzał wyłacznie białka właściwe dla kota. Dzieje się tak dlatego, że występujące w komórkach kota pewne enzymy będą najpierw rozkładać białka rybie na pojedyncze aminokwasy, a następnie inne enzymy będą łaczyć te aminokwasy w białka właściwe dla kota. Enzymy te muszą jednak "wiedzieć", jakie aminokwasy i w jakiej kolejności łączyć, aby powstały tysiące różnych białek swoistych dla kota. Tę informację o syntezie własnych białek dostarczają komórce geny. Według ściśle określonej zasady - odczytu sekwencji nukleotydów w genach, czyli odczytu tak zwanego kodu genetycznego - w każdej komórce są syntetyzowane białka zgodnie z zawartą w niej informacją genetyczną. Tak więc, czy będziemy kocięta karmić mlekiem krowim czy mięsem ryby, będą one wytwarzały te same, swoiste dla siebie, rodzaje białek bez względu na jakość pokarmu. Geny zawierają przede wszystkim informację o zdolności wytwarzania przez organizm określonego zestawu specyficznych białek. Białka, zwłaszcza enzymatyczne, decydują o przemianie materii, czyli metabolizmie, i wyznaczają procesy wzrostu i rozwoju każdego organizmu. W wyniku tych bardzo złożonych procesów powstaje cały organizm z licznymi jego właściwościami, czyli cechami, których dziedziczenie badają genetycy. Związek między badana cechą organizmu a genami zawartymi w komórkach nie jest wcale prosty i bezpośredni. Ponieważ geny zawierają jedynie informację o zdolności do syntezy białek wpływających na przebieg metabolizmu, to nawet pozornie proste cechy są zwykle końcowym wynikiem współdziałania licznych genów. Weźmy na przykład królika o zabarwionej sierści i królika o sierści niezabarwionej, białej. Przede wszystkim, aby włosy były
zabarwione, musi być wytwarzany w komórkach określony barwnik, zwykle o złożonej strukturze chemicznej. Barwnik ten syntetyzowany jest w komórkach, w wyniku wielu kolejnych reakcji chemicznych, ze stosunkowo prostych związków wyjściowych (np. z jednego
aminokwasu). Dla każdej kolejnej reakcji prowadzącej do syntezy barwnika konieczne jest odrębne białko enzymatyczne, a więc i odrębny gen, który zawiera zapis o syntezie tego białka, czyli -jak mówimy - koduje to białko. Kolor sierści będzie jeszcze zależał od szeregu innych genów, które wpływają na ilość wytwarzanego barwnika, jego rozmieszczenie w poszczególnych włosach czy też występowanie we włosach pokrywających różne części ciała królika. Tak więc cecha takiego czy innego zabarwienia sierści nie zależy od jednego genu. Co prawda królik biały /albinos) może różnić się od królika np. czarnego tylko jednym genem decydującym o możliwości wytwarzania barwnika w komórkach. Wszystkie inne geny u albinosa mogą być takie same jak u królika czarnego, ale ich działanie się nie przejawi, skoro barwnik w ogóle nie jest wytwarzany. Po skrzyżowaniu królika czarnego z białym możemy obserwować takie dziedziczenie barwy, jakby zależała ona tylko od jednego genu. Musimy jednak pamiętać, że nie ma czegoś takiego jak gen barwy, a jedynie istnieją różne geny białek umożliwiajacych syntezę i rozmieszczenie barwnika we włosach na ciele zwierzęcia.
Dziedziczność interesowała ludzkość od zarania jej dziejów i w sposób raczej nieświadomy była wykorzystywana od tysięcy lat przy udomowianiu i hodowli roślin i zwierząt. Za początek właściwej nauki o dziedziczności, czyli genetyki, uważa się doświadczenia Grzegorza Mendla, który w 1863 roku opublikował wyniki swych badań nad dziedziczeniem niektórych cech grochu. G. Mendel po raz pierwszy założył, że istnieją odrębne czynniki dziedziczności, które dziś nazywamy genami. Poza tym sformułował on pewne reguły dotyczące przekazywania genów z pokolenia na pokolenie. Prace Mendla za jego życia nie znalazły uznania wśród współczesnych mu biologów, a zostały powszechnie przyjęte dopiero po 1900 roku, gdy zostały ponownie potwierdzone przez trzech różnych badaczy. Od tej pory zaczyna się rozwój genetyki jako odrębnej dziedziny biologii, w której w ciągu 80 lat naszego stulecia dokonano szeregu najwspanialszych odkryć dotyczących najbardziej podstawowych procesów zachodzących w organizmach żywych. Sformułowane przez G. Mendla prawa dotyczące przekazywania genów przy wytwarzaniu gamet oraz powstawania różnych kombinacji genów w procesie zapłodnienia i tworzenia się zygot tłumaczą sposób przekazywania cech rodziców ich potomstwu. Powstające w potomstwie nowe kombinacje genów nie występujące u rodziców mogą, na skutek współdziałania genów, powodować powstanie nowych właściwości potomstwa nie występujących u rodziców. W chwili gdy udowodniono, że geny są to odcinki DNA zawierające informację,genetyczną o syntezie białek w postaci określonego układu liniowego różnych nukleotydów, stało się oczywiste, że zjawisko dziedziczności wynika z procesu dokładnego powielania czy też kopiowania cząsteczek DNA i następnie
przekazywania identycznej informacji genetycznej komórkom potomnym powstającym w wyniku podziałów komÓrkowych. W latach
pięćdziesiątych naszego stulecia powstała nowa gałąź genetyki zwana genetyką molekularną. Genetyka molekularna zajmuje się badaniem procesów na poziomie poszczególnych czasteczek chemicznych, czyli procesów stanowiących podstawę zjawisk dziedziczności. Głównym przedmiotem tych badań jest budowa i funkcja cząsteczek DNA. Dzięki tym badaniom ustalono przede wszystkim, w jaki sposób cząsteczka DNA, złożona z dwóch łańcuchów, umożliwia powielenie, czyli replikację cząsteczek DNA tak, aby obie komórki siostrzane powstające w wyniku podziału komórkowego zawierały dwie identyczne kopie tego samego DNA. Podobnie jak wszelkie procesy życiowe, tak i replikacja cząsteczek DNA jest katalizowana przez liczne białka enzymatyczne. Choć zasady procesu replikacji DNA /rozdział 5.4.2.) są już dziś znane, to jednak dalej pozostaje jeszcze wiele do wykrycia w tej dziedzinie. Replikacja DNA nie jest zawsze doskonała i w czasie tego procesu komórka popełnia błędy, wskutek czego powstające kopie DNA nie zawsze sa identyczie. Poznawanie natury tych błędów, jak i czynników wpływających na częstsze ich popełnianie, ma podstawowe znaczenie dla poznania zjawiska mutacji. Mutacje powodujące powstawanie nowych zmienionych form genu, czyli tak zwanych alleli, są źródłem powstanrania nowych właściwości dziedzicznych organiznów i głównym motorem procesów ewolucyjnych. Poznanie mechanizmów molekularnych powstawania nutacji ma nie tylko olbrzymie znaczenie teoretyczne, ale także praktyczne w hodowli czy w ochronie zdrowia ludzkiego. DNA nie tylko jest odtwarzany w identycznych kopiach w procesie replikacji, ale w każdej komórce kieruje procesami syntezy białek. W latach sześćdziesiątych naszego stulecia poznano zasadę zakodowania syntezy specyficznych białek w układzie nukleotydów w DNA. Kod genetyczny zostat rozszyfrowany. Okazało się również, choć się tego nikt nie spodziewał, że ten sam kod genetyczny obowi#zuje w całym świecie ożywionym. łańcuchy DNA są wzorcem, czyli matrycą nie tylko dla odtwarzania potomnych cząsteczek DNA, ale także - pośrednio - spełniaja rolę matrycy w syntezie łańcuchów białkowych. Skoro zapis w DNA jest "czytelny" dla wszystkich organizmów, to okazało się też, że wprowadzone powiedzmy do komórek bakteryjnych cząsteczki DNA pochodzenia zwierzęcego i kodujące białka zwierzęce mogą tam być poprawnie odczytane. Bakterie mogą więc np. produkować hormony zwierzęce. Obecnie oowstaje nowy dział genetyki zwany inżynierią genetyczną, który opracowuje metody łaczenia DNA oochodzacego z różnych organizmów, wprowadzania go do komórek bakterii, drożdży czy innych organizmów oraz zajmuje się badaniem warunków produkcji obcych białek w tych komórkach: Istnieją również możliwości chemicznej syntezy genów, które po wproruadzeniu do komórek mogą kodować nowe, nie znane białka. Tak więc przed genetyką lat następnych otwierają się nowe perspektywy.
5.2
Doświadczenia G. Mendla i początki genetyki.
Pojęcie genu wywodzi się ze znanych doświadczeń G. Mendla wykonanych i opublikowanych w 1863 roku. Dla interpretacji otrzymanych wyników wprowadził on pojęcie czynnika dziedzicznego, który na poczatku XX wieku został nazwany krótszym i wygodniejszym terminem gen.
5.2.1
Doświadczenia G. Mendla
Mendel zastosował jako materiał wyjściowy do swych doświadczeń genetycznie czyste odmiany grochu (Piumsativum L), tzn. takie, które przez szereg kolejnych pokoleń zapylane między sobą dawały potomstwo pod względem badanych cech całkowicie jednolite. Natępnie dokonywał krzyżówek między osobnikami różniącymi się jedną cechą, na przykład:
1. barwą kwiatów; kwiaty białe nie zawierające antocyjanu i barwne - zawierające ten barwnik,
2. barwą nasion; nasiona żółte i zielone,
3. kształtem nasion; nasiona gładkie i pomarszczoe. Badał on jeszcze dziedziczenie kilku innych cech grochu, o których tu nie będziemy wspominać.
5.2.1.1.
Krzyżówki między roślinami różniącymi się jedną cechą
Dla przykładu omówimy tu krzyżówkę między odmianami grochu o kwiatach białych i barwnych (czerwonych). Na słupki roślin o kwiatach białych, z których poprzednio usunięto pręciki, aby nie nastapiło samozapylenie, Mendel przenosił pyłek z kwiatów czerwonych. W czasie tych zabiegów kwiaty były w izolatorach, aby nie zapyliły się przypadkowo. Wynik krzyżówek był ten sam bez względu na kierunek krzyżowania; to znaczy bez względu na to czy pyłek roślin o kwiatach czerwonych był przenoszony na słupki roślin o kwiatach białych, czy też pyłek z roślin o kwiatach białych był przenoszony na słupki roślin o kwiatach czerwonych. W efekcie tego dwukierunkowego krzyżowania pierwsze pokolenie mieszańców miało kwiaty czerwone, identyczne z jedną z form rodzicielskich. Zgodnie z przyjętą w genetyce zasadą, pierwsze pokolenie mieszańców będziemy oznaczali symbolem F1 zaś pokolenie rodzicielskie symbolem P. Krzyżując rośliny o nasionach gładkich z roślinami o nasionach pomarszczonych G. Mendel otrzymał mieszańce F1, jedynie o nasionach gładkich, a jeśli formy rodzicielskie różniły się barwą nasion żółtą albo zieloną,to mieszańce F1 odznaczały się żółtą barwą nasion. Z pokolenia F, G. Mendel otrzymał następnie drugie pokolenie mieszańców, które będziemy oznaczać symbolem F2. Aby je otrzymać wystarczy poddać samozapyleniu rośliny pokolenia F1, albo też pozwolić im zapylać się między sobą. W drugim pokoleniu mieszańców G. Mendel stwierdził, że pod względem badanej cechy osobniki pokolenia F2 są niejednolite i wykazują rozszczepienie. Na przykład wskutek skrzyżowania roślin o różnej barwie kwiatów w pokoleniu F2 wystąpiły zarówno rośliny o kwiatach białych, jak i rośliny o kwiatach czerwonych. Stosunek liczbowy roślin o kwiatach barwnych do roślin o kwiatach białych w pokoleniu F2 wynosił w przybliżeniu 3 :1, czyli 3/4 i 1/4. Konkretnie w jednym z doświadczeń G. Mendel otrzymał wśród 929 osobników pokolenia F2 705 /75,89%/roślin o kwiatach czerwonych i 224 (24,11%) rośliny o kwiatach białych. W pokoleniach F2 krzyżówek między roślinami różniącymi się barwą bądź kształtem nasion G. Mendel otrzymał również rozszczepienie zbliżone bardzo do stosunku 3:1, przy czym w pokoleniu F2 trzykrotnie liczniejsze były rośliny o tej cesze, która ujawniała się w pokoleniu F1. Mendel nie tylko dokładnie analizował wyniki otrzymane w kolejnych pokoleniach mieszańców, badając stosunki liczbowe rozszczepień różnych cech u roślin, ale - co było chyba jego największą zasługą, próbował zinterpretować wyniki swych doświadczeń, robiąc przy tym szereg teoretycznych założeń, z których niejedne do dziś stanowią podstawowe zasady genetyki. G. Mendel założył, że np. barwę lub bezbarwność kwiatów grochu warunkuje jedna para czynników dziedzicznych, czyli jak dziś mówimy genów. Geny te oznaczył on symbolami A i a. Odpowiednio inne cechy, np. barwa żółta lub zielona nasion grochu warunkowana jest parą genów B i b, a gładki kształt nasion bądź pomarszczony parą genów C i c itd. Mendel założył, że w każdej roślinie powstającej z zygoty występują po dwa geny dla danej cechy. Tak więc rośliny czystej odmiany grochu o kwiatach barwnych możemy oznaczyć symbolem AA, zaś rośliny o kwiatach bezbarwnych oznaczyć możemy jako aa. Celem wyjaśnienia wyników otrzymanych w krzyżówkach G. Mendel założył następnie, że do komórek płciowych, czyli gamet, przechodzi tylko jeden gen z danej pary genów, a więc A badź też a. Przy zapłodnieniu roślin o kwiatach białych przez rośliny o kwiatach barwnych (czy też odwrotnie) następuje połączenie gamety żeńskiej z gametą męską, niosących odrębne geny A lub a. W wyniku
zapłodnienia powstaje zygota, a następnie osobnik pokolenia F, o składzie genetycznym Aa. Gdy osobnik F, będzie wytwarzał gamety, to do połowy gamet przejdzie gen A, a do drugiej połowy gamet zostanie przekazany gen a. Tak więc osobnik pokolenia F, będzie wytwarzał dwa rodzaje gamet w równych ilościach, po 50%, czyli w stosunku 1:1. Gdy teraz skojarzymy ze sobą dwa osobniki F1, aby otrzymać pokolenie F2, to dwa rodzaje gamet żeńskich, czyli komórek jajowych, z genami A i a są zapładniane przez dwa rodzaje komórek płciowych męskich, czyli plemników, również po połowie niosących gen A bądź gen a. Można wyróżnić cztery sposoby łączenia się gamet w procesie zapłodnienia, łatwo się przekonać, że w wyniku tych czterech rodzajów zapłodnień powstają trzy rodzaje zygot AA, Aa i aa w stosunku liczbowym 1: 2 :1. Powstajace z zygot AA osobniki będą oczywiście miały kwiaty barwne. Również osobniki powstające z zygot Aa będą miały kwiaty barwne, jak się o tym przekonaliśmy w pokoleniu F1 w którym wszystkie rośliny mają skład genowy Aa. Jedynie zygoty o składzie genów aa dadzą rośliny o kwiatach białych. Zgodnie z tym rozumowaniem w pokoleniu mieszańców F2 powinno być 3/4 (75%) roślin o kwiatach barwnych i 1/4 (25%) roślin o kwiatach białych. A więc rośliny barwne i bezbarwne w pokoleniu F2 powinny wystąpić w stosunku 3:1 zgodnie z wynikami otrzymanymi w krzyżówkach wykonanych przez G. Mendla. Genetyka posługuje się wieloma terminami, które bardzoułatwiają opisywanie i interpretację różnych zjawisk dziedziczności. Mówiąc o jakimś organizmie będziemy przede wszystkim wyróżniać dwa istotne dla każdego genetyka pojęcia. Każdemu organizmowi możemy przypisać określony genotyp, czyli jego skład genowy. W omawianym przez nas doświadczeniu Mendla rośliny miały trzy różne genotypy AA,Aa oraz aa. Genotyp jest to zespół genów, który dany osobnik posiada. Oczywiściejeśli badamy jednocześnie szereg różnych cech
dziedzicznych organizmu, to wzór genotypowy osobnika musi uwzględniać wiele par genów. Ponadto możemy każdemu osobnikowi przypisać określony fenotyp, czyli zespół jego cech, których dziedziczenie badamy. W wypadku omawianej krzyżówki Mendla rośliny o trzech różnych genotypach AA,Aa oraz aa mają jedynie dwa różne fenotypy - kwiaty barwne bądź bezbarwne. Rośliny o dwóch różnych genotypach AA oraz Aa mają ten sam fenotyp o kwiatach barwnych. A więc cechy danego osobnika, czyli jego fenotyp, nie określają jednoznacznie jego genotypu. Jaki jest genotyp osobnika, możemy się przekonać jedynie po odpowiednich doświadczeniach genetycznych. Geny danej pary, które w doświadczeniach Mendla występowały w gametach pojedynczo, wyznaczajace różne fenotypy w zakresie determinowanej cechy nazywa się obecnie allelami. Osobniki o genotypie AA czy też aa, a więc zawierające dwa te same allele danego genu i powstające z połączenia dwóch gamet niosących ten sam allel genu nazywamy homozygotami. Osobniki o genotypie Aa, zawierające dwa różne allele tego samego genu i powstające z połączenia gamet niosących dwa różne allele tego samego genu, nazywamy heterozygotami. Heterozygoty Aa (całość roślin pokolenia F1 i połowa roślin pokolenia F2) mają fenotyp (kwiaty barwne) taki sam jak rośliny homozygotyczne AA. Z tego wynika, że w
heterozygocie Aa allel a warunkujący kwiaty białe w jednoczesnej obecności allelu A kwiatów barwnych nie ujawnia się fenotypowo. Taki allel, który w heterozygocie nie przejawia się fenotypowo, nazywamy allelem ustępującym albo recesywnym i oznaczamy go małą literą. Drugi allel, który przejawia się fenotypowo i maskuje obecność allelu recesywnego, nazywamy allelem panującym albo dominującym i oznaczamy go dużą literą. Jak wskazuje wynik rozszczepienia cechy w pokoleniu F2 powstałym ze skojarzenia heterozygot F1 o genotypie Aa, allel recesywny a, pomimo że nie przejawia się fenotypowo, pozostaje nie zmieniony i jest
przekazywany do gamet wytwarzanych przez osobniki F1.Świadczy o tym 25% roślin biało kwitnących pojawiających się w pokoleniu F2. W czasach, w których G. Mendel interpretował swoje doświadczenia, większość jego założeń wcale nie była oczywista i wymagała dalszych potwierdzeń na drodze eksperymentów. Niektóre z nich przeprowadził już sam G. Mendel. W pokoleniu F2 omawianej przez nas krzyżówki wśród 705 roślin o kwiatach barwnych według założeń Mendla, powinno znajdować się dwa razy więcej heterozygot Aa (czyli 2/3) niż roślin homozygotycznych, o genotypie AA, których powinno być tylko 1 /3. Łatwo to sprawdzić poddając samozapyleniu poszczególne osobniki o kwiatach barwnych pokolenia F2. Powstaje wtedy trzecie pokolenie mieszańców, czyli F3. Wskutek samozapylenia homozygot AA w potomstwie powinny wystąpić wyłącznie rośliny o kwiatach barwnych, zaś w potomstwie roślin heterozygotycznych Aa powinno wystąpić rozszczepienie na rośliny o kwiatach barwnych i białych w stosunku 3:1. Wynik takiej analizy przeprowadzony przez Mendla w pełni potwierdził jego założenia. Rzeczywiście wśród roślin o kwiatach barwnych pokolenia F2 2/3 były to heterozygoty o genotypie Aa, a 1 /3 homozygoty o genotypie AA. Założenie Mendla, że heterozygota Aa wytwarza dwa rodzaje gamet z allelem A badź allelem a w równych ilościach, czyli w stosunku 1:1, można udowodnić bardziej bezpośrednio. Jeśli skrzyżujemy homozygotę rodzicielską o kwiatach białych, a więc o genotypie aa, z osobnikiem heterozygotycznym Aa z pokolenia F1 to będzie to krzyżówka zwana wsteczną. Jeśli założenie Mendla jest słuszne, to w wyniku tej krzyżówki powinny powstać po połowie osobniki o kwiatach białych (genotyp aa) i o kwiatach barwnych (genotyp Aa). Ich wzajemny stosunek ilościowy w krzyżówce wstecznej będzie taki sam jak wzajemny stosunek ilościowy gamet z allelem A i z allelem a wytwarzanych przez heterozygotę o genotypie Aa. Wynik krzyżówki wstecznej w pełni potwierdza słuszność założenia G. Mendla. Krzyżowaniem wstecznym nazywamy krzyżowanie mieszańca F1 z jedną z form rodzicielskich. Gdy forma rodzicielska użyta do krzyżówki wstecznej jest homozygotą recesywną, to taką krzyżówkę wsteczną nazywamy krzyżówką testową. Na podstawie fenotypu potomstwa, otrzymanego w wyniku krzyżówki testowej, można bezpośrednio stwierdzić, jakiego rodzaju gamety i w jakim stosunku liczbowym wytwarza heterozygota i czy osobnik pokolenia F1 jest na pewno heterozygota. W praktyce hodowlanej często używa się wielokrotnie powtarzanego krzyżowania wstecznego, gdy z jednej odmiany roślin czy zwierząt chcemy przenieść określone pojedyncze geny do odmiany drugiej zachowując resztę jej właściwych cech. Krzyżując mieszańca F1 z jedną z odmian rodzicielskich i powtarzając ten zabieg wielokrotnie, można przy odpowiedniej selekcji wprowadzić do odmiany używanej przy krzyżowaniu wstecznym pojedyncze geny z drugiej odmiany. Takie same wyniki jak dla pary genów A i a związanej z barwą kwiatów otrzymał G. Mendel dla kilku par genów wyznaczających inne cechy grochu. Na podstawie tych wyników sformułował on pewną ogólna regułę, zwaną pierwszym prawem Mendla. Jest to tak zwane prawo czystości gamet, które stwierdza, że w gametach allele tego samego genu nawzajem się wykluczają, co oznacza, że gamety mogą zawierać tylko jeden allel danego genu. Z powyższego prawa wynika, że homozygoty wytwarzają tylko jeden rodzaj gamet, zaś heterozygoty dwa rodzaje gamet, z jednym badź drugim allelem, w równych ilościach,czyli po 50%.
5.2.1.2.
Krzyżowanie roślin różniących się dwiema cechami
Rozpatrzymy teraz wyniki krzyżówki wykonanej przez G.Mendla, w której jedna forma rodzicielska miała nasiona gładkie i żółte a druga nasiona zielone i pomarszczone. Oznaczmy symbolem B allel dominujący żółtej barwy nasion, a symbolem b recesywny allel zielonej barwy nasion.Dominujący allel kształtu gładkiego nasion oznaczmy symbolem C, a jego allel recesywny kształtu pomarszczonego nasion symbolem c. Tak więc genotyp formy rodzicielskiej
homozygotycznej o nasionach żółtych i gładkich będzie miał symbol BBCC, zaś genotyp drugiej formy rodzicielskiej również
homozygotycznej o nasionach zielonyuch i pomarszczonych będzie miał symbol bbcc. Po skrzyżowaniu tych dwóch odmian rodzicielskich G.Mendel otrzymał w pierwszym pokoleniu jedynie nasiona żółte i gładkie. Wyniku tego należało się spodziewać skoro jedna odmiana rodzicielska wytwarzała gamety o składzie genowym BC,zaś druga odpowiednio gamety o składzie genowym bc. Z połączenia tych gamet powstaną heterozygoty o genotypie BbCc, czyli inacej mówiąc podwójne heterozygoty. Ze względu na dominowanie alleli B i C fenotyp nasion pokolenia F1 powinien być barwy żółtej i kształtu gładkiego. W następnym pokoleniu mieszańców F2, otrzymanym z samozapylenia roślin F1 G.Mendel stwierdził występowanie czterech rodzajów nasion o różnych kombinacjach kształtu i barwy w stosunku ilościowym wynoszącym w przybliżeniu 9 : 3 : 3 :1. Dane liczbowe z jednego doświadczenia Mendla i porównanie liczb stwierdzonych doświadczalnie z liczbami obliczonym ze stosunku 9 : 3 : 3 :1 są następujące: tabela na str.353. Widzimy więc, że wynikające z doświadczeń proporcje liczbowe otrzymanych czterech typów nasion w pokoleniu F2 są bardzo zbliżone do proporcji liczb obliczonych przy założeniu, że cztery znalezione typy nasion segregują w stosunku 9 : 3 : 3 :1. Aby wyjaśnić otrzymaną w pokoleniu F2 segregację czterech typów nasion, G. Mendel zrobił następujące założenia. Podwójna heterozygota o genotypie BbCc wytwarza cztery rodzaje gamet, zawierające po jednym allelu z każdej pary alleli, a więc gamety BC, Bc bC oraz bc. Wszystkie te cztery rodzaje gamet są wytwarzane z równą częstością, a więc po 25%, czyli w stosunku 1:1:1:1. Zgodnie z pierwszym prawem Mendla allele tego samego genu wykluczają się nawzajem w gametach, natomiast allele odrębnych genów mogą się spotkać w gametach we wszystkich możliwych kombinacjach. Wszystkie cztery możliwe kombinacje alleli dwóch genów występują w gametach z równą częstością, co by wskazywało, że łączą się w gametach zupełnie losowo. Jeśli więc w celu otrzymania pokolenia F2 poddajemy samozapyleniu rośliny pokolenia F1, czy też kojarzymy je między sobą, wówczas cztery różne typy gamet żeńskich będą zapładniane przez cztery różne typy gamet męskich. Może dokonać się więc 16 różnych rodzajów zapłodnień (4x4=16)
prowadzących do powstania zygot o 9 różnych genotypach. Mimo że w pokoleniu F2 powstaje 9 różnych genotypów,to powstaną tylko cztery odrębne fenotypy, wskutek ominowania alleli B i C, w stosunku 9:3:3:1. Najliczniejsze, bo stanowiące 9/16 całości, będą nasiona o obu cechach dominujących, czyli żółte i gładkie. Przypatrując się rysunkowi 5.3 łatwo można sprawdzić, że nasiona o tym fenotypie mogą mieć cztery różne genotypy. Spośród tych nasion 1/9 będzie o genotypie BBCC, 2/9 o genotypie BbCC, 2/9 o genotypie BBCc i wreszcie 4/9 o genotypie BbCc. Przeprowadzając samozapylenie roślin otrzymanych z nasion żółtych i gładkich pokolenia F2 możemy sprawdzić w pokoleniu F3, czy rzeczywiście wśród nasion żółtych i gładkich pokolenia F2 występują spodziewane stosunki ilościowe między czterema możliwymi genotypami warunkujacymi ten sam fenotyp. Otrzymane przez Mendla wyniki w pełni potwierdziły to założenie. Aby bezpośrednio przekonać się, że podwójna heterozygota BbCc wytwarza cztery rodzaje gamet z jednakową częstością, należy wykonać krzyżówkę wsteczną, kojarząc podwójną heterozygotę z podwójna homozygotą recesywną o genotypie bbcc. W wyniku takiej krzyżówki wstecznej, zgodnie z założeniami Mendla,otrzymamy rzeczzywiście cztery rodzaje nasion o różnych kombinacjach kształtu i barwy w równych stosunkach ilościowych, po 25%, czyli w stosunku 1:1:1:1. Innymi słowy podwójna heterozygota wytwarza cztery rodzaje gamet z jednakowa częstością. Na podstawie wyników otrzymanych z krzyżówek, w których rodzice różnili się jednocześnie dwiema cechami,G. Mendel sformułował ogólną regułę zwaną drugim prawem Mendla. Głosi ono, że allele dwóch różnych genów są rozdzielane do gamet niezależnie od siebie w sposób czysto losowy. Zatem cechy zależne od odrębnych genów dziedziczą się niezależnie, a w potomstwie heterozygoty powstają losowo wszelkie możliwe kombinacje warunkujacych je alleli genów.
5.2.2.
Jak dziś interpretujemy doświadczenia Mendla
Doświadczenia G. Mendla stworzyły podwaliny pod współczesną genetykę, która po ponownym potwierdzeniu praw Mendla na początku naszego stulecia zaczęła się bardzo szybko rozwijać. Dzięki dalszym badaniom prowadzonym zarówno na roślinach, jak i zwierzętach rozwinięto pierwotne koncepcje Mendla uzupełniając je, a także znacznie modyfikując. Pierwsze doświadczenia wykazały, że prawa Mendla odnoszą się nie tylko do grochu, ale do wielu bardzo różnych organizmów, w tym także i do człowieka. Stało się zatem zrozumiałe że prawa Mendla mają ogólnobiologiczne znaczenie. Jednakże obraz zjawisk dziedziczności zaczął się coraz bardziej komplikować w miarę wykrywania nowych przejawów dziedziczności, które w doświadczeniach Mendla nie występowały.
5.2.2.1.
Pojęcie allelizmu
Z doświadczeń Mendla wynikał bardzo prosty obraz dziedziczności. Dla poszczególnych cech organizmu istnieją odrębne geny, które mogą występować w postaci par przeciwstawnych alleli, przy czym jeden (panujący) całkowicie dominuje fenotypowo nad drugim allelem recesywnym. Nie znaczy to jednak wcale, iż jest to jakaś ogólna reguła. Po pierwsze, alleli jednego genu może być znacznie więcej niż dwa. Oczywiście u organizmów diploidalnych, takich jak rośliny, zwierzęta czy człowiek, w zygocie mogą występować tylko dwa allele danego genu. Wynika to z faktu, że zygoty powstają z połączenia dwóch gamet, które zgodnie z pierwszym prawem Mendla wnoszą do zygoty po jednym allelu. Niemniej wśród genotypów różnych osobników jednego gatunku może występować wiele alleli tego samego genu. W wyniku krzyżowania się osobników mających różne allele tego samego genu, w populacji gatunku mogą występować bardzo różne kombinacje alleli przejawiające się u poszczególnych osobników różnymi fenotypami w zakresie danej cechy. W ten sposób na przykład dziedziczą się w populacji ludzkiej grupy krwi.Nim przejdziemy do omówienia dziedziczenia grup krwi u człowieka, chcielibyśmy jeszcze podkreślić, że zależności w fenotypowym przejawianiu alleli tego samego genu u heterozygoty nie zawsze polegają na tym,że jeden allel jest dominujący, a drugi całkowicie recesywny. U niektórych roślin, jak na przykład wyżlinu (Anthirhinum majus), po
skrzyżowaniu odmiany białej o genotypie aa z odmianą o barwnych (czerwonych) kwiatach i genotypie AA otrzymuje się w pierwszym pokoleniu mieszańców F1 rośliny o kwiatach barwy pośredniej, różowej. W tym wypadku u heterozygoty o genotypie Aa allel A nie dominuje całkowicie nad allelem a. W pokoleniu F2 takiej krzyżówki obserwować będziemy segregację na rośliny o kwiatach czerwonych (genotyp AA), kwiatach różowych (genotyp Aa) i o kwiatach białych (genotyp aa) w stosunku 1: 2 :1, zgodnie oczywiście z prawami Mendla, z tą tylko różnicą, że heterozygoty Aa są fenotypowo różne od homozygot AA. Oczywiście w tym przypadku kwiaty różowe występują u heterozygot Aa i nie można otrzymać trwałej odmiany różowej, gdyż w każdym kolejnym pokoleniu będą one ulegały segregacji na rośliny białe, różowe i czerwone. Heterozygota może również wykazywać jednocześnie właściwości obojga rodziców i nie musi przejawiać fenotypu ani pośredniego, ani też jednego z rodziców. Tak się na przykład dziedziczą u człowieka grupy krwi A, B, AB i 0, o których prawie każdy słyszał w związku z krwiodawstwem i przetaczaniem, czyli transfuzją krwi ludziom chorym. Te cztery grupy krwi występujące w populacjach ludzkich są uwarunkowane występowaniem trzech odrębnych alleli tego samego genu, przy czym każdy z nas ma oczywiście tylko po dwa allele, z których jeden pochodzi od matki, a drugi od ojca. Różnice między osobnikami należącymi do.różnych grup krwi nie dotyczą dostrzegalnych cech morfologicznych, ale określonych właściwości biochemicznych krwi, a ściślej czerwonych krwinek. Krwinki czerwone, jak wiemy, odgrywają bardzo ważną rolę jako przenośniki tlenu. Są to komórki, wewnątrz których znajduje się białko - hemoglobina przenosząca tlen w całym organizmie. Otóż na zewnętrznej powierzchni błon komórkowych krwinek występuja pewne białka nadające im specyficzne piętno, zgodnie z którym możemy wszystkich ludzi podzielić na cztery kategorie z odrębnymi grupami krwi. Organizmy zwierząt wyższych mają zdolność rozróżniania obcych związków, np. białek, wprowadzonych do organizmu. Dzieje się to dzięki innym komórkom, występującym również we krwi, tzw. Iimfocytom, które produkują białka zwane przeciwciałami.
Przeciwciała rozpoznając obce białko wirusa, bakterii, krwinki czy jakiekolwiek inne powodują zlepianie, czyli aglutynację tych obcych tworów mających na powierzchni nieswoiste dla danego osobnika białka. Następnie takie zlepione komórki bakterii czy inne twory podlegają w organizmie zniszczeniu. W ten sposób ustrój broni się przed inwazją bakterii i obecnością obcych białek czy innych obcych związków organicznych. Obce dla organizmu związki rozpoznawane przez przeciwciała nazywamy antygenami. Otóż wracając do
wspomnianych wyżej czterech grup krwi, na powierzchni czerwonych krwinek mogą występować białkowe antygeny dwóch rodzajów: A i B. Jednocześnie w płynnym osoczu krwi mogą znajdować się w dużych ilościach przeciwciała, które można nazwać anty A i anty B. Przeciwciała te rozpoznają na powierzchni czerwonych krwinek antygeny A bądź antygeny B i wiążąc się odpowiednio z nimi powodują zlepianie się krwinek. Jeśli na powierzchni czerwonych krwinek danego osobnika znajduje się tylko antygen A, to w osoczu jego krwi będą się znajdować przeciwciała anty B. Jeśli takiemu osobnikowi (biorca) przetoczymy krew, czyli inaczej - dokonamy transfuzji krwi osobnika z grupą krwi B (dawca), a więc mającego na powierzchni czerwonych krwinek antygen B, to znajdujące się w osoczu krwi przeciwciała anty B biorcy spowodują zlepianie, czyli aglutynację obcych krwinek. Może to wywołać zaczopowanie naczyń krwionośnych i nawet śmierć osobnika. Tak więc każdy powinien znać swą grupę krwi, mieć ją zapisaną w dowodzie osobistym, aby w razie wypadku móc dostać krew dawcy o właściwej grupie krwi. Zdolność do wytwarzania specyficznych antygenów krwinkowych z tej grupy uzależniona jest u człowieka od działania trzech alleli genu L. Allel LA powoduje wytwarzanie antygenu A, allel LB powoduje wytwarzanie antygenu B i wreszcie trzeci allel l nie powoduje wytwarzania antygenu rozpoznawanego przez przeciwciała anty A i anty B. Liczne badania nad dziedziczeniem tych grup krwi u ludzi wykazały, że dziedziczą się one w sposób zgodny z regułami Mendla. Te trzy różne allele mogą występować u różnych osobników w sześciu kombinacjach po dwa allele. Zależność między obecnością określonych alleli w genotypie człowieka a przynależnością do odpowiedniej grupy krwi,wyrażającą się obecnością odpowiednich antygenów na krwinkach i odpowiednich przeciwciał w osoczu krwi, przedstawia tabela 5.1.(na stronie 357). Jak wynika z tabeli, osobnikami, których krew może być przetoczona każdemu innemu osobnikowi, a więc uniwersalnymi dawcami krwi są ludzie z grupą krwi 0, gdyż na ich krwinkach nie występują żadne antygeny. Przeciwnie, osobnicy z grupą krwi AB są uniwersalnymi biorcami, gdyż w osoczu ich krwi nie występuja żadne przeciwciała. Ponadto możemy zauważyć, że osobnicy z grupą krwi A są albo homozygotami LALA albo heterozygotami o genotypie LAl. Analogiczna sytuacja w stosunku do allelu L dotyczy osobników z grupą krwi B. Należy zwrócić uwagę na to, że ludzie z grupą krwi AB są zawsze heterozygotami w stosunku do alleli LA i LB. Jeśli w małżeństwie jedno z rodziców będzie miało grupę krwi AB, a drugie grupę krwi 0 to biorąc pod uwagę ich genotypy LALB i ll oraz reguły Mendla, możemy łatwo wykazać, że dzieci ich będa miały albo genotyp LAl,a więc grupę krwi A, albo genotyp LBl , a więc grupę krwi B. W tym przypadku dzieci nie będą mogły nigdy mieć tej samej grupy krwi co ich rodzice. Reguły dziedziczenia mogą więc spowodować brak podobieństwa między rodzicami a potomstwem! Wyobraźmy sobie małżeństwo, w którym jedno z rodziców ma grupę krwi A i genotyp LALA, a drugie grupę krwi B i genotyp LBLB. Wówczas potomstwo z tego małżeństwa zgodnie z regułą Mendla, będzie miało grupę krwi AB i genotyp LALB. W tym wypadku heterozygotyczne dzieci będą wykazywały jakby sumę właściwości ich rodziców. Będą one zdolne do wytwarzania obu antygenów A i B, podczas gdy każde z rodziców mogło wytwarzać tylko jeden antygen, A badź B. We wstępie wspomnieliśmy, iż badania genetyczne wykazały, że gen jest odcinkiem DNA kodującym syntezę jednego określonego białka. W tym wypadku allele genu L kodują różne rodzaje białka antygenowego krwinek. Jeśli to weźmiemy pod uwagę, zrozumiemy, że homozygotyczni rodzice mający tylko jeden rodzaj allelu L mogą produkować tylko jeden rodzaj białka antygenowego, natomiast heterozygoty mające różne allele L będą oczywiście wytwarzać dwa rndzaje białek antygenowych A i B. Potomstwo homozygotycznych rodziców, z których jedno miało grupę krwi A, a drugie B, będzie wykazywało grupę AB. W tym wypadku nie obserwujemy żadnego zjawiska dominowania czy recesywności, a jedynie fakt, że każdy allel decyduje o zdolności do wytwarzania określonego białka antygenowego. Oczywiście heterozygota taka np: jak LAl będzie należała do grupy A, gdyż allel l nie produkuje żadnego białka antygenowego rozpoznawanego przez określone przeciwciała. W tym przypadku allel l będzie się zachowywał jak allel recesywny. Zależności między grupami krwi a warunkującymi je allelami wcale nie sa wyjątkowe. Jeśli jako cechę fenotypową badamy bezpośredni produkt działania genu, jakim jest białko, to zawsze homozygoty będą produkowały jeden rodzaj białka, gdyż oba allele są identyczne, heterozygoty zaś będą produkowały dwa różne białka. Wróćmy do pierwszego doświadczenia Mendla, gdy krzyżował on homozygotyczną roślinę o kwiatach barwnych (czerwonych) i o genotypie AA z rośliną o kwiatach bezbarwnych (białych) i o genotypie aa. Zabarwienie kwiatów jest wynikiem wytwarzania przez roślinę barwnika antocyjanu, który zabarwia płatki kwiatów. Zdolność do syntezy antocyjanu zależy od genów, które dzięki wytwarzaniu specyficznych białek enzymatycznych umożliwiają syntezę tego barwnika. Innymi słowy, produktem bezpośrednim działania genu jest nie antocyjan,a jedynie białko enzymatyczne umożliwiające jego syntezę. Doświadczenia Mendla możemy obecnie zinterpretować w ten sposób, że allel A wyrunkuje syntezę aktywnego enzymu, który umożliwia syntezę antocyjanu, a więc decyduje o barwie kwiatów. Allel a warunkuje syntezę zmienionego enzymu, który nie wykazuje aktywności katalitycznej w procesie syntezy tego barwnika, a zatem synteza antocyjanu jest zablokowana i kwiaty są bezbarwne. Oczywiście homozygota AA będzie produkowała tylko aktywny enzym i będzie wytwarzała antocyjan, natomiast homozygota aa będzie wytwarzała tylko nieaktywny enzym i wobec tego nie będzie wytwarzała antocyjanu. Heterozygota Aa będzie wytwarzała zrówno enzym aktywny, jak i nieaktywny,a więc dwa rodzaje białek enzymatycznych. Zważywszy, że przynajmniej połowa produkowanych przez nią specyficznych enzymów będzie aktywna, synteza antocyjanu w komórkach będzie zachodzić i kwiaty będą barwne. Widocznie u grochu ilość aktywnego enzymu jest wystarczająca do wyprodukowania takiej ilości antocyjanu, że heterozygoty Aa mają równie
intensywnie zabarwione kwiaty jak i homozygoty AA. U wyżlinu kwiaty heterozygoty Aa mają barwę pośrednią - różową zapewne dlatego, że heterozygoty Aa wytwarzają zbyt mało aktywnego enzymu, aby ilość zsyntezowanego przezeń antocyjanu dała tak samo intensywne zabarwienie kwiatów jak u homozygot AA. Zatem między allelami jednego genu, jeśli badamy jego pierwotne działanie, czyli nadawanie komórkom zdolności do syntezy określonych białek enzymatycznych badź antygenowych /jak w wypadku grup krwi) nie ma żadnych wzajemnych zależności. Każdy allel warunkuje jedynie produkcję jednego rodzaju określonego białka. Dominowanie i recesywność występujące między dwoma allelami w heterozygocie dotyczą jedynie wtórnych produktów aktywności enzymów zakodowanych w genach. W omawianym przez nas przykładzie dotyczy to ilości produkowanego w komórkach kwiatów grochu barwnika antocyjanowego. Mówiąc o allelach wybiegniemy trochę naprzód i przedstawimy bardziej współczesne poglądy na gen i jego allele, które dokładniej zostały omówione w następnych podrozdziałach. Różne allele tego samego genu powstają na skutek zmian w określonym odcinku DNA, czyli genie zawierajacym informację o zdolności komórki do wytwarzania jednego określonego rodzaju białka. Powodują one wytwarzanie różnych form tego samego białka o bardziej lub mniej zmienionych właściwościach. Odcinek DNA stanowiący gen może się składać z tysiąca lub więcej par nukleotydów. 2miana w każdym prawie nukleotydzie może być przyczyną powstania odrębnego allelu genu, dlatego liczba alleli tego samego genu może być bardzo duża. W istocie, w wyniku badań genetycznych bardzo prostych organizmów, takich jak bakterie, wirusy czy niektóre grzyby, np.jednokomórkowe drożdże, wykryto dla licznych poznanych genów tych organizmów setki odrębnych alleli jednego genu. U szybko rozmnażających się organizmów, które jako haploidy mają w komórce tylko po jednym allelu każdego genu, wykrywanie nowych alleli jest względnie łatwe i szybkie. Wykryto także liczne allele niektórych genów w organizmach wyższych bardzo dokładnie badanych pod względem genetycznym, na przykład u muszki owocowej (Drosophila
melanogaster) czy u kukurydzy. Liczne allele jednego genu nazywamy allelami wielokrotnymi. Allele wykluczaja się nawzajem w gametach zgodnie z pierwszym prawem Mendla, a każdy osobnik diploidalny może mieć tylko dwa, identyczne (homozygota) lub różne (heterozygota), allele z serii alleli wielokrotnych jednego genu. Na przykład, allele genu C decydującego o umaszczeniu (zdolności do wytwarzania barwnika) królików tworzą serię alleli wielokrotnych. Na rysunku 5.8 przedstawiono różnice fenotypowe wynikające z obecności różnych alleli genu umaszczenia królików. Innym przykładem omawianego zagadnienia są geny warunkujące grupy krwi bydła. Geny te znajdują się w 11 różnych loci (rozdz. 5.3.3), a w każdym z nich występują serie alleli wielokrotnych. Zatem niemal każdy osobnik ma odrębny zestaw alleli warunkujących jego grupę krwi. Odkrycie sposobu dziedziczenia antygenów krwinkowych znalazło zastosowanie w praktyce. U bydła na podstawie grupy krwi osobnika i jego przypuszczalnych rodziców można zidentyfikować pochodzenie tego zwierzęcia. Znajac allele genów warunkujacych grupę krwi np. buhaja zarodowego, którego nasienie używano do sztucznej inseminacji krów,możemy z dużą dokładnością ustalić, czy był on rzeczywiście ojcem potomstwa tych krów. U potomstwa tego buhaja w każdym locus genów warunkujących grupę krwi powinien występować jeden allel identyczny z allelem ojca. Jeżeli choćby w jednym locus nie występuje allel ojca, można wykluczyć jego ojcostwo.
5.2.2.2.
Współdziałanie genów . w wytwarzaniu cech organizmów
Wynikający z badań G. Mendla obraz zależności między genami i cechami przez nie uwarunkowanymi był jednak zbyt prosty, i wkrótce nowe fakty ujawniły genetykom jego złożoność. Mówiliśmy poprzednio, że synteza antocyjanu w roślinie zależna jest od obecności w jej genotypie dominującego allelu A, który warunkuje wytwarzanie aktywnego enzymu koniecznego do syntezy w komórce antocyjanu. Recesywny allel a warunkujący wytwarzanie nieaktywnego enzymu uniemożliwia syntezę antocyjanu. Jest to jednak wielkie
uproszczenie sytuacji istniejącej w rzeczywistości. W roślinie złożona cząsteczka chemiczna antocyjanu jest syntetyzowana ze stosunkowo prostych związków wyjściowych w wielu kolejnych etapach, które polegają na stopniowej budowie coraz bardziej złożonej cząsteczki, aż do jej formy ostatecznej barwnika antocyjanowego. W każdym etapie tego procesu konieczny jest odpowiedni enzym zakodowany przez odrębny gen. Aby roślina miała kwiaty zabarwione antocyjanem, te wszystkie geny muszą kodować aktywne enzymy. Tak więc zdolność rośliny do wytwarzania kwiatów barwnych zależna jest od współdziałania licznych odrębnych genów. W bardzo uproszczony sposób można by tę sytuację przedstawić schematycznie zakładajac, że z prostego wyjściowego związku X powstaje w pierwszym etapie związek pośredni Y i dopiero w następnym etapie związek Y jest przekształcany w antocyjan. Oba te etapy syntezy antocyjanu wymagają oczywiście odrębnych enzymów katalizujących syntezę antocyjanu. W rzeczywistości etapów takich jest więcej. Oczywiście do syntezy każdego z tych enzymów konieczny jest odrębny gen, w którym zakodowana jest zdolność rośliny do syntezy odpowiedniego białka enzymatycznego. Wobec tego syntezę antocyjanu w roślinie i jej zależność od genów i enzymów możemy sobie wyobrazić
następująco:(rysunek str.360). Jeśli oba geny A i B powodują wytwarzanie aktywnych enzymów beta i alfa, to zachodzi synteza antocyjanu i kwiaty są zabarwione. Jeśli jednak bądź gen A, badź też gen B występuje w roślinie w postaci recesywnego allelu a lub b, to oczywiście synteza antocyjanu w roślinie nie zachodzi. Po prostu jest ona całkiem zablokowana albo na etapie przejścia od X do Y, albo na etapie przejścia od Y do antocyjanu. Tak więc dwa odrębne geny warunkujące syntezę dwóch różnych enzymów wpływają na tą samą cechę, tj.barwę kwiatów rośliny. Takie dwa geny biorące udział w wytwarzaniu jednej cechy nazywamy genami
współdziałającymi. Przedstawimy teraz wyniki krzyżówki między dwiema odrębnymi odmianami biało kwitnącymi groszku pachnącego (Lathyrus odoratus). Krzyżówka ta wykazuje współdziałanie dwóch odrębnych genów przy wytwarzaniu barwnych kwiatów u tej rośliny. Po skrzyżowaniu dwóch odmian biało kwitnących otrzymano w pierwszym pokoleniu mieszańców wyłącznie rośliny o kwiatach barwnych. Z roślin pokolenia F1 otrzymano następnie drugie pokolenie mieszańców F2, w którym nastąpiło rozszczepienie cech na rośliny o kwiatach barwnych i białych w stosunku 9:7. Jeśli założymy, że genotypy roślin rodzicielskich były AAbb oraz aaBB, to obie odmiany rodzicielskie są niezdolne do syntezy antocyjanu na skutek braku aktywnego enzymu bądź dla pierwszego, bądź też dla drugiego etapu syntezy antocyjanu. W pokoleniu F1 o genotypie AaBb występują oba geny dominujące konieczne do przeprowadzenia obu etapów syntezy antocyjanu i wobec tego mieszańce F1 mają kwiaty barwne. Tak więc pojedyncze geny A i B, wprowadzone do mieszańców F1 przez odrębne gamety rodzicielskie,w heterozygotycznych zygotach nawzajem się uzupełniają i odtwarzają zdolność do syntezy barwnika
antocyjanowego, która u form rodzicielskich była zablokowana. Zjawisko to w genetyce zwane jest uzupełnieniem, czyli
komplementacją. W pokoleniu F2 zgodnie z drugim prawem Mendla podwójna heterozygota wytwarza po cztery rodzaj gamet, które w procesie zapłodnienia dają 16 różnych kombinacji gamet męskich i żeńskich. Wśród powstających zygot, jak łatwo się przekonać na podstawie rysunku 5.9, 9/16 będzie miało jednocześnie co najmniej po jednym dominującym allelu A i B, i wobec tego z tych zygot powstaną rośliny o kwiatach barwnych. Pozostałe 7/16 zygot zawiera bądź tylko allel A, bądź tylko allel B, albo nie mają żadnego z nich i wobec tego powstaną z nich rośliny o kwiatach białych. Z tego doświadczenia wynika zatem, że dwa zupełnie odrębne geny, dziedziczące się niezależnie od siebie,są konieczne do syntezy barwnika antocyjanokniego. Nie jest to żadne wyjątkowe zjawisko i właściwie każdy proces życiowy i każda pozornie najprostsza cecha organizmu jest wynikiem współdziałania większej lub mniejszej liczby odrębnych genów. Można by więc zapytać, dlaczego cechy grochu badane przez Mendla dziedziczyły się tak, jakby zależały od jednej pary alleli jednego genu? Odpowiedź na to pytanie jest następujaca. Oczywiście u grochu zdolność do syntezy antocyjanu jest również zależna od współdziałania kilku odrębnych genów. Dla uproszczenia załóżmy, że podobnie jak u groszku pachnącego właściwość ta zależna jest od dwóch odrębnych genów A i B. Jeśli jedna odmiana rodzicielska o kwiatach zabarwionych będzie o genotypie AABB, a druga o kwiatach białych będzie miała genotyp aaBB, to oczywiście dziedziczenie barwy kwiatów w krzyżówce między takimi dwiema formami rodzicielskimi będzie zależało jedynie od segregacji jednej pary alleli A i a. Jednocześnie jednak we wszystkich gametach i zygotach będzie występował także allel B konieczny do syntezy antocyjanu. Jego segregacja będzie dla nas niewidoczna i wobec tego zdolność do wytwarzania antocyjanu tylko pozornie będzie uzależniona jedynie od jednego genu A.
Najdokładniej rolę genów w metabolizmie zbadano, gdy genetycy zaczęli się zajmować badaniem zjawisk dziedziczności u organizmów jednokomórkowych, takich jak bakterie czy drożdże. Komórki tych organizmów mogą się rozwijać na bardzo prostych pożywkach, w których skład wchodzą różne sole nieorganiczne takich pierwiastków, jak azot, siarka, fosfor, potas, wapń, magnez i kilku innych oraz jedno źródło węgla w postaci prostego stosunkowo zwiazku
organicznego, jak na przykład cukier glukoza. Pobierając proste składniki z takiej pożywki, zwanej minimalną, komórki potrafią zsyntetyzować bardzo liczne złożone związki organiczne, takie jak białka, tłuszcze, węglowodany, witaminy itp. Aby syntetyzować różne białka, komórki muszą przede wszystkim zsyntetyzować podstawowe składniki białek-aminokwasy. Wszystkie białka powstają w wyniku połączenia się w różnej kolejności w łańcuchy 20 rodzajów aminokwasów wytwarzanych w każdej komórce, o czym szerzej będziemy mówić w dalszych częściach rozdziału. Jeśli komórki utracą zdolność do syntezy któregokolwiek z 20 aminokwasów, nie mogą rosnąć na pożywce minimalnej. Możemy je jednak utrzymać przy życiu dodając do pożywki gotowy aminokwas, którego zdolność syntezy komórki utraciły. Komórki wówczas pobierają z pożywki gotowy aminokwas i w ten sposób uzupełniają jego brak spowodowany niezdolnością komórki do jego syntezy z prostych składników pobieranych z pożywki minimalnej. W badaniach genetycznych okazało się, że komórki mogą utracić zdolność do syntezy jednego aminokwasu w wyniku mutacji, czyli zmian w obrębie genów warunkujacych syntezę danego
aminokwasu. Liczba różnych genów związanych z synteza jednego aminokwasu może wynosić od kilku do kilkunastu. Na przykład mutacja w którymkolwiek z pięciu różnych genów kodujących syntezę tryptofanu może uczynić komórkę niezdolną do syntezy tego aminokwasu. A więc jedna właściwość komórki przejawiająca się niezdolnością do syntezy jednego aminokwasu - tryptofanu może być wywołana przez 5 różnych genów. Synteza tryptofanu w komórkach bakterii czy drożdży odbywa się w pięciu kolejnych etapach: Ze związku wyjściowego A poprzez związki pośrednie B, C, D i E powstaje tryptofan. Każdy z tych etapów syntezy tryptofanu zachodzi w komórce pod wpływem odrębnego enzymu. O syntezie tych pięciu enzymów decyduje pięć odrębnych genów występujacych w genotypie komórki. Mutacje w każdym z tych genów prowadzące do powstania recesywnych alleli tych genów warunkujących wytwarzanie
nieaktywnych enzymów spowodują oczywiście niezdolność komórki do syntezy tryptofanu. Innymi słowy, ciąg biosyntetyczny prowadzący do syntezy tryptofanu może być zablokowany w którymkolwiek z pięciu etapów wytwarzania cząsteczki tryptofanu. Haploidalne komórki drożdży mają właściwości podobne do gamet i w pewnych określonych warunkach mogą się z sobą łączyć, czyli koniugować. Komórki te są jakby zróżnicowane płciowo i tylko dwie komórki haploidalne o przeciwnym typie płciowym mogą ze sobą koniugować i tworzyć komórki diploidalne, genetycznie odpowiadające zygotom wyższych organizmów. Komórki diploidalne rozmnażając się przez pączkowanie wytwarzają identyczne komórki diploidalne. Otóż jeśli połączymy ze sobą komórki haploidalne drożdży niezdolne do syntezy tryptofanu, to powstające komórki diploidalne będą mogły rosnąć na pożywce minimalnej pod warunkiem, że mutacje genów w komórkach
haploidalnych dotyczą odrębnych etapów syntezy tryptofanu. Następuje tu zjawisko uzupełnienia, czyli komplementacji, tak jak u mieszańców F1 między dwiema biało kwitnącymi odmianami groszku pachnącego. U mikroorganizmów można z łatwością otrzymać liczne tego rodzaju mutacje, ustalić ile genów i jakie enzymy biorą udział w syntezie danego związku, jaka jest ich kolejność działania oraz na czym polegały zmiany w genach i enzymach, które spowodowały zablokowanie syntezy badanego związku. Tysiące tego rodzaju mutantów pokarmowych otrzymano wśród wielu bardzo różnych organizmów; mutacje dotyczą genów sterujących syntezą
najrozmaitszych związków-jak aminokwasy, witaminy, składniki kwasów nukleinowych itp. Z badań tych wyłania się niezwykle skomplikowany obraz współdziałania najrozmaitszych genów w kierowaniu i regulowaniu procesów metabolicznych w komórkach. Współdziałanie genów w wytwarzaniu właściwości fenotypowych jest szeroko wykorzystywane w praktyce hodowlanej. W wyniku krzyżowania, wśród mieszańców pierwszego pokolenia lub w dalszych pokoleniach mogą powstawać osobniki posiadające jednocześnie dwa allele
współdziałające w wytworzeniu cechy, występujące w formach rodzicielskich oddzielnie, pojedynczo. W wyniku ich współdziałania może więc u potomstwa pojawić się cecha, która nie ujawniała się u form rodzicielskich, np. oporność na grzyb czy bakterię
charakteryzująca potomstwo dwóch roślin wrażliwych. Tak więc krzyżowanie ras czy odmian oraz odpowiedni kierunek selekcji mogą w wyniku współdziałania różnych genów ujawnić zupełnie nowe właściwości o dużym znaczeniu praktycznym. Współdziałanie między allelami różnych genów wpływających na tę samą cechę może polegać też na zjawisku zwanym epistazą. Epistazą nazywamy zjawisko nieujawniania się efektu fenotypowego nieallelicznych genów na skutek obecności określonego alleluinnego genu. Jest to zjawisko odrębne od dominowania i recesywności. Na przykład u królików, myszy i innych gryzoni barwa sierści jest wynikiem współdziałania szeregu odrębnych genów związanych nie tylko z samą syntezą barwników występujących we włosach, ale także genów wpływających na rodzaj wytwarzanych barwników (czarne, brązowe, żółte itp.), rozmieszczenie barwników wzdłuż włosa, ilość wytwarzanego barwnika, a także i od genów wpływających na rozmieszczenie ubarwionych włosów na powierzchni ciała /np. jednolite czy też plamiste). W wyniku współdziałania tych różnych genów obserwujemy różne rodzaje umaszczenia zwierząt. Wszystkie te geny mogą przejawiać swoje właściwości jedynie u osobników, które są zdolne do wytwarzania barwnika i posiadają dominujący allel C. Jeśli jednak osobnik jest homozygotyczny w stosunku do recesywnego allelu c, to wtedy wszystkie pozostałe geny decydujące o umaszczeniu sierści nie przejawiają się fenotypowo. Homozygoty cc są to całkowicie "bezbarwne" osobniki zwane albinosami. Albinosy mają allele wszystkich innych genów decydujących o umaszczeniu sierści, a ich obecność można wykazać w wyniku odpowiednich krzyżówek. Zatem allel c jest genem epistatycznym w stosunku do wszystkich alleli ubarwienia sierści bez względu na to, czy są one dominujące czy też recesyw#e. Geny te są hipostatyczne w stosunku do allelu c. Na podstawie wyników wielu różnych krzyżówek osobnika albinotycznego z osobnikami maścistymi można udowodnić obecność szeregu genów, które u albinosa nie mogły się ujawnić.
5.3.
Miejsce genów w komórce
Doświadczenia Mendla i dalsze ich uzupełnienia już w naszym stuleciu potwierdziły istnienie dla całego świata ożywionego odrębnych genów oraz reguły ich przekazywania do komórek płciowych, czyli gamet. Doświadczenia omawiane poprzednio nie odpowiadały zupełnie na pytanie, gdzie w komórkach znajdują się geny i w jaki sposób są rozdzielane allele przy powstawaniu gamet. Odpowiedź na te pytania przyniosły badania nad dziedziczeniem licznych cech muszki owocowej (Drosophila melanogaster) przeprowadzone w latach 1910-1915 przez T. H. Morgana i jego współpracowników. Drosophila jest to muszka o wymiarach około 2 mm żyjąca na fermentujacych owocach. Rozmnaża się bardzo szybko w odpowiedniej temperaturze co 10 dni można otrzymać kolejne pokolenie. Jest ona bardzo
płodna-jedna zapłodniona samica składa około 200-300 jaj. W pracowni można ja hodować w słoikach z fermentującymi owocami. Wszystkie te właściwości są bardzo dogodne dla genetyka, gdyż w krótkim czasie można z krzyżówki otrzymać szereg licznych pokoleń. Okazało się, że Drosophila jest gatunkiem wykazującym bardzo dużą zmienność pod względem różnych cech, na przykład barwy oczu i ciała, kształtu skrzydeł itp. Liczne cechy Drosophila badane przez T.Morgana dziedziczyły się w sposób identyczny jak cechy grochu w badaniach Mendla. Jednak już na samym początku swych badań Morgan wykazał, że niektóre z cech Drosophila dziedziczą się w sposób odbiegający od reguł Mendla. Jak to zwykle bywa w nauce, te wyjątki okazały się bardzo istotne i umożliwiły Morganowi postawienie hipotezy, że geny znajdują się w chromosomach.
5.3.1.
Dziedziczenie płci oraz dziedziczenie sprzężone z płcią u Drosophila melanogaster
W odróżnieniu od grochu i w ogóle roślin kwiatowych Drosophila, podobnie jak większość zwierząt, jest organizmem
rozdzielnopłciowym. W każdym pokoleniu powstaje regularnie połowa samców i połowa samic. Samce i samice różnią się między sobą nie tylko płcią i wieloma cechami związanymi z odrębną płcią, ale także i zawartymi w jądrach ich komórek chromosomami. Drosophila w komórkach ciała, które są oczywiście diploidalne, zawiera cztery pary chromosomów. Trzy z tych par są to chromosomy ściśle homologiczne, identyczne u samców i samic, pary te nazywamy autosomami. Czwarta para jest inna u samic i samców, sa to tak zwane chromosomy płci. U samic występują dwa stosunkowo
długie,jednoramienne chromosomy zwane chromosomami X, zaś u samców występuje tylko jeden chromosom X, a drugi mniejszy od niego -dwuramienny, zwany chromosomem Y - nie ma w ogóle swego
odpowiednika wśród chromosomów samic. Przy wytwarzaniu gamet, a więc w czasie spermatogenezy u samców i oogenezy u samic, podczas podziału mejotycznego zachodzi, jak wiemy, redukcja liczby chromosomów, wskutek czego do haploidalnych komórek płciowych przechodzi po jednym chromosomie z każdej pary homologicznych chromosomów.Tak więc u samic, które mają cztery pary homologicznych chromosomów, wszystkie wytwarzane komórki jajowe będą zawierały po jednym z trzech autosomów i jeden chromosom X. Pod względem chromosomalnym wszystkie komórki jajowe będa identyczne. Przy wytwarzaniu plemników przez samce autosomy będą regularnie rozdzielane. Jednak czwarta para, złożona z chromosomu X i Y, będzie rozdzielana w ten sposób, że do połowy wytwarzanych plemników przekazywany będzie chromosom X, a do drugiej połowy chromosom Y. Samce będą więc wytwarzać dwa rodzaje plemników w stosunku 1:1. Po zapłodnieniu komórek jajowych przez plemniki, połowa zygot oprócz trzech par autosomów będzie zawierała dwa chromosomy X i z tych zygot rozwiną się samice, druga zaś połowa zygot będzie zawierała po jednym chromosomie X i Y i z tych zygot rozwiną się samce. W ten sposób z pokolenia na pokolenie będzie powstawać po połowie samców i samic. Ze schematu na rysunku 5.12 wynika, że po skojarzeniu samicy z samcem tylko córki odziedziczą chromosom X po ojcu, zaś chromosom X pochodzący od matki dziedziczą zarówno córki, jak i synowie. Dopiero w drugim pokoleniu wnuki mogą odziedziczyć chromosom X pochodzący od dziadka. Oczywiście dotyczy to tylko chromosomu X, zaś autosomy są normalnie rozdzielane zarówno synom, jak i córkom przez oboje rodziców. Gdybyśmy założyli, że w chromosomie X samca znajduje się jakiś gen warunkujący określoną cechę Drosophila,to cecha ta nie mogłaby być bezpośrednio dziedziczona przez synów, a jedynie mogłaby być przekazywana wnukom za pośrednictwem córek. Gdyby zaś ten sam gen występował w obu chromosomach X samicy, to byłby on przekazywany zarówno córkom, jak i synom. Jednym słowem cecha warunkowana przez taki gen dziedziczyłaby się odrębnie w zależności od tego czy została wprowadzona do krzyżówki przez samca, czy też przez samicę. Tak więc wyniki krzyżówki dwukierunkowej, czyli odwrotnej, byłyby różne. Gdyby gen znajdował się w którymś z trzech autosomów, to oczywiście wyniki tych krzyżówek byłyby identyczne: tak jak w doświadczeniach opisywanych przez Mendla. Nie wszystkie organizmy rozdzielnopłciowe mają ten sam mechanizm wyznaczania płci co Drosophila. U ssaków (z człowiekiem włącznie) samice również mają dwa chromosomy płci X X, a samce chromosom X i Y. Mechanizm wyznaczania płci u ssaków jest zbliżony do Drosophila z tym jednak, że chromosom płci Y ma wpływ na rozwój osobników męskich, podczas gdy u Drosophila nie zawiera on prawie żadnych genów (rozdział 5.3.4./. U ptaków, na przykład u drobiu, sytuacja w porównaniu do ssaków i Drosophila jest odwrotna. Samice mają dwa odrębne chromosomy płci W i Z, i wytwarzają dwa rodzaje komórek jajowych -bądź z chromosomem W, bądź z chromosomem Z. Samce zaś maja dwa chromosomy płci W i wobec tego wszystkie plemniki zawierają jeden chromosom W. Hodowcy kur muszą więc pamiętać o tej różnicy przy planowaniu doświadczeń dotyczących cech, które uwarunkowane są działaniem genów mieszczących się w chromosomie W. Jedną z pierwszych cech Drosophila, której dziedziczenie badał T. Morgan, była biała barwa oczu, przeciwstawna do barwy oczu czerwonej występującej normalnie u dzikiego szczepu. Dziedziczenie tej cechy zależało od tego,czy cecha oczu białych była wprowadzona do krzyżówki przez samca czy też przez samicę, zatem wyniki
krzyżowania odwrotnego były różne. Dziedziczenie białej barwy oczu u Drosophila przedstawiono na rysunku 5.13. Jak widzimy, w wyniku krzyżówki samicy czerwonookiej z samcem o oczach białych samce i samice pierwszego pokolenia mieszańców F, miały oczy czerwone. A więc allel genu barwy czerwonej oczu jest dominujący i oznaczymy go symbolem W, podczas gdy allel białej barwy oczu jest recesywny i oznaczać go będziemy symbolem w. Jeśli przyjrzymy się drugiemu pokoleniu - F2 (F1 x F1), to zobaczymy, że barwa oczu dziedziczy się zależnie od płci, gdyż wszystkie samice mają oczy czerwone, wśród samców zaś połowa ma oczy białe, a połowa czerwone. Natomiast gdy zapłodniono samicę o oczach białych samcem o oczach czerwonych, w pokoleniu F, samice miały oczy czerwone, a samce oczy białe. W pokoleniu F2 zarówno wśród samic, jak i samców połowa miała oczy czerwone, a połowa białe. Te różne w obu krzyżówkach wyniki stają się zrozumiałe, jeśli właśnie założymy, że gen barwy oczu u Drosophila mieści się w chromosomie X i wraz z tym chromosomem jest przekazywany potomstwu. Na rysunku 5.13 pokazano dwa chromosomy X samic oraz pojedynczy chromosom X samców odpowiednio z allelami W barwy czerwonej oczu i w barwy białej oczu. Jednocześnie pokazano chromosom Y samców, który nie zawiera genu barwy oczu. Występowanie białej badź czerwonej barwy oczu w F1 i F2 powstałych w wyniku krzyżowania odwrotnego jest, jak widzimy, całkowicie zgodne z założeniem, że gen barwy oczu znajduje się w chromosomie X. Takie dziedziczenie wykazujące zależność od wprowadzenia genu do krzyżówki przez samca bądź samicę nazywamy dziedziczeniem sprzężonym z płcią. W miarę jak Morgan i jego współpracownicy badali dziedziczenie coraz to nowych genów u Drosophila okazało się, że oprócz genu w więcej genów dziedziczy się w sposób sprzężony z płcią. Wskazywało to, że w chromosomie X prawdopodobnie występuje szereg genów warunkujacych różne cechy Drosophila. Inne geny dziedziczą się w sposób niezależny od płci. Z tych obserwacji T. Morgan wysunał wniosek, że w komórkach geny zlokalizowane są w chromosomach. Część genów jest zlokalizowana w chromosomie X i dziedziczy się w sposób zależny od płci, reszta zaś genów mieści się w autosomach i wobec tego dziedziczy się niezależnie od płci. Oczywiście hipoteza ta wymagała dalszych potwierdzeń. Tłumaczyła ona nie tylko dziedziczenie sprzężone z płcią w przypadku genów występujacych w chromosomie X, ale wyjaśniała też główne wyniki prac Mendla. Jeżeli geny znajdują się w chromosomach, a w komórkach diploidalnych występują zawsze po dwa chromosomy homologiczne, to zygota będzie zawierała po dwa allele każdego genu. W mejozie przed powstaniem gamet chromosomy homologiczne rozchodzą się, a więc allele genów w nich zawarte musza się rozejść i w gametach będa występowały pojedynczo, zgodnie z pierwszym prawem Mendla. W mejozie rozchodzenie się do gamet chromosomów ojcowskich i matczynych w różnych parach chromosomów jest niezależne od siebie. W gametach,zgodnie z drugim prawem Mendla, będa więc powstawać wszystkie możliwe kombinacje chromosomów. U Drosophila poznano kilkaset różnych genów, a liczba haploidalna chromosomów wynosi zaledwie cztery; oznacza to, że w każdym z chromosomów Drosophila musi się znajdować wiele genów. Ponadto wiemy, że w mejozie, w czasie redukcji liczby chromosomów, chromosomy homologiczne pochodzenia ojcowskiego i matczynego rozchodzą się w zasadzie w całości. Wobec tego wszystkie allele różnych genów powinny być wraz z całym chromosomem wspólnie przekazywane do gamet. Wobec tego jedynie geny leżące w odrębnych chromosomach dziedziczyłyby się niezależnie, zaś dziedziczenie genów występujących w jednym chromosomie powinno być wzajemnie zależne, a więc zachodzącew sposób niezgodny z drugim prawem Mendla. Tak więc z założenia T. Morgana, iż geny są zlokalizowane w chromosomach, wynikała logiczna konsekwencja,że przynajmniej niektóre pary odrębnych genów powinny wykazywać dziedziczenie sprzężone wynikające z ich umiejscowienia w tym samym chromosomie. Dziedziczenie sprzężone genów zostało rzeczywiście wykryte przez T. Morgana.
5.3.2.
Sprzężone dziedziczenie genów
Według drugiego prawa Mendla dziedziczenie dwóch różnych genów jest od siebie niezależne. Oznacza to, że podwójna heterozygota o genotypie AaBb wytwarza cztery rodzaje gamet AB, Ab, aB i ab w równych ilościach po 25%. A więc allele jednego genu A i a oraz allele drugiego genu B i b rozchodzą się do gamet losowo, w sposób niezależny, i wobec tego wszelkie ich kombinacje powstają z jednakową częstotliwością. Załóżmy teraz, że geny A i B znajdują się w jednym chromosomie i że podwójna heterozygota powstała ze skrzyżowania dwóch homozygot o genotypach AABB i aabb. Wtedy w heterozygocie w jednym chromosomie homologicznym będą się znajdować dwa allele dominujace A i B, a w drugim chromosomie allele recesywne a i b. Biorąc pod uwagę lokalizację genów w jednym chromosomie, genotyp takiej heterozygoty zapisywać będziemy jako B, gdzie symbole alleli ab nad i pod kreską oznaczaja taki ich układ, jaki występował w chromosomach rodzicielskich. Gdyby w mejozie zawsze rozchodziły się całe chromosomy rodzicielskie, to tego rodzaju heterozygota powinna wytwarzać nie cztery, a jedynie dwa rodzaje gamet z allelami AB i ab, a więc z takimi układami alleli jak u rodziców. Geny te wykazywałyby dziedziczenie sprzężone, niezgodne z drugim prawem Mendla. Morgan wykazał, że u Drosophila gen W czerwonej barwy oczu u osobników dzikich i jego allel w-białej barwy oczu oraz gen Y szarej barwy ciała i jego allel y -żółtej barwy ciała dziedzicza się identycznie, w sposób sprzężony z płcią. Geny te zatem powinny być umiejscowione w tym samym chromosomie X. Jeśli więc będziemy badać jednocześnie dziedziczenie się tych dwóch genów, to mogłyby one wykazywać dziedziczenie sprzężone. Zobaczmy teraz, jakie wyniki z tego rodzaju krzyżówki otrzymał Morgan. Krzyżówkę tę zapiszmy symbolicznie:(zobacz str.371) Ten sposób zapisu oznacza, że samica jest podwójną heterozygotą zawierajacą w jednym chromosomie X dwa allele dominujące W i Y, a w drugim chromosomie X-dwa allele recesywne w i y. Ze względu na dominowanie alleli W i Y fenotypowo samica ta będzie dzika, o oczach czerwonych i szarej barwie ciała. Samicę tę skojarzono z samcem o oczach białych i żółtej barwie ciała, który w swym jedynym chromosomie X ma allele recesywne w i y; chromosom Y jest zaznaczony jako >. Jest to odpowiednik krzyżówki wstecznej, w wyniku której, zgodnie z drugim prawem Mendla, powinno wystąpić po 25% osobników o wszystkich czterech możliwych kombinacjach barwy oczu i ciała. Wynik tego krzyżowania znacznie różnił się od wyniku spodziewanego. W potomstwie uzyskanym z tego kojarzenia wystąpiło: około 49,25% osobników o czerwonych oczach i szarym ciele około 49,25% o białych oczach i żółtym ciele około 0,75% o białych oczach i szarym ciele około 0,75% o czerwonych oczach i żółtym ciele. A więc 98,5% osobników wykazało takie kombinacje genów (WY oraz wy), jakie występłwały w dwóch chromosomach X
heterozygotycznej samicy. Jedynie 1,5% potomstwa wykazało rekombinację genów (Wy oraz wY), a więc po jednym z dwóch alleli, które występowały w odrębnych chromosomach X heterozygotycznej samicy. Oznacza to, że przy wytwarzaniu gamet przez
heterozygotyczną samicę podczas oogenezy, w wyniku podziałów mejotycznych, dwa chromosomy X rozchodziły się do gamet najczęściej z takim samym układem alleli,jaki był w chromosomach X tej samicy. A więc rzeczywiście geny te dziedziczyły się w sposób sprzężony. Jednak sprzężenie nie było całkowite, gdyż u około 1,5% potomstwa allele, które poprzednio znajdowały się w odrębnych chromosomach X samicy, były teraz razem w jednym chromosomie X. Powstał więc nowy problem, jak wytłumaczyć powstawanie tych nielicznych
rekombinantów. Można też wykonać krzyżówkę, którą zapisalibyśmy w następujący sposób: (zobacz str.371). W tym wypadku samica jest również heterozygotyczna w stosunku do tych samych genów barwy oczu i ciała, ale układ alleli tych genów w obu chromosomach X samicy jest inny (samica taka powstała ze skrzyżowania pojedynczych mutantów typu Wy i wY). W tej krzyżówce wynik był analogiczny, choć przeciwstawny. Spośród potomstwa 98,5% osobników stanowiły pojedyncze mutanty o oczach białych i szarej barwie ciała lub o oczach czerwonych i żółtym ciele. Pozostałe zaś 1,5% osobników wykazywało zrekombinowany układ alleli w chromosomach X, czyli miały bądź szare ciało i czerwone oczy, bądź białe oczy i żółte ciało. W obu tych krzyżówkach występuje sprzężone dziedziczenie badanych genów i 98,5% osobników wykazuje rodzicielski układ alleli, jedynie zaś 1,5% to rekombinanty o zmienionym układzie alleli. Dalsze badania Morgana i licznych jego współpracowników ujawniły podobne zjawisko częściowego sprzężenia odnoszące się do innych genów, które dziedziczą się zależnie od płci. Również geny dziedziczące się niezależnie od płci, a więc mieszczące się w pozostałych autosomach Drosophila, wykazywały dziedziczenie sprzężone. Poza tym dla innych par genów stwierdzono dziedziczenie niezależne, zgodne z doświadczeniami Mendla. Dla pełnego
ugruntowania hipotezy o występowaniu genów w chromosomach należało przede wszystkim wyjaśnić, skąd się biorą rekombinanty w sprzężonym dziedziczeniu genów.
5.3.3.
Crossing-over
Sprzężony sposób dziedziczenia się genów jest wynikiem oddzielania się od siebie całych chromosomów homologicznych w mejozie i rozdzielania ich następnie do gamet. Obserwowane u Drosophila występowanie 15% rekombinantów w doświadczeniach nad genami W i Y Morgan tłumaczył zjawiskiem wzajemnej wymiany odcinków chromosomów, która zachodzi przed ich rozdziałem w profazie pierwszego podziału mejotycznego. W wyniku takiej wzajemnej wymiany odcinków między dwoma homologicznymi chromosomami, którą Morgan nazwał
crossing-over, powstają gamety o zrekombinowanych allelach. Przy omawianiu crossing-over warto od razu podkreślić, że w profazie mejozy koniugujące chromosomy są już podwojone i składają się z dwóch chromatyd. Zatem wymiana odcinków, czyli crossing-over, zachodzi między chromatydami, a nie całymi chromosomami. Z badań nad częstością występowania crossing-over między różnymi parami genów sprzężonych ustalono szereg dalszych istotnych faktów. Przede wszystkim dla dwóch określonych genów częstość powstawania rekombinantów (wyrażona w procentach) jest w przybliżeniu stała i na przykład dla genów W i Y wynosi około 1,5%. Wartość ta jest stała bez względu na to, jakie allele występują w dwóch
homologicznych chromosomach heterozygoty, to znaczy czy
heterozygota była typu WY(licznik)wy(mianownik) czy też typu Wy(licznik)wY(mianownik). Dla innych par genów leżących bądź w chromosomie X, bądź w którymkolwiek z trzech różnych autosomów Dosophila stwierdzono również dziedziczenie sprzężone, przy czym dla różnych par genów procent wytwarzanych rekombinantów był różny - od ułamka procenta do 30-40%. Tak więc różne pary badanych genów wykazują bardzo różny stopień sprzężenia - od prawie całkowitego do bardzo luźnego, gdy liczba rekombinantów zbliża się do 50%. Oczywiście jeśli w krzyżówce wstecznej procent rekombinantów wynosi 50%, to znaczy że wszystkie możliwe kombinacje alleli występują w gametach po 25% i wobec tego dziedziczenie dwóch genów jest nie sprzężone, a więc niezależne. Z licznych badań nad sprzężeniem genów wynikają bardzo istotne wnioski dotyczące lokalizacji genów w chromosomach. Powstawanie rekombinantów jest wynikiem pękania chromatyd w homologicznych chromosomach i wzajemnej wymiany odcinków między nimi w profazie pierwszego podziału
mejotycznego,czyli crossing-over. Czy crossing-over może zajść w dowolnym miejscu koniugujących chromosomów? Oczywiście im bliżej siebie leżą geny w chromosomie, tym mniejsze jest
prawdopodobieństwo, że crossing-over zajdzie na odcinku pomiędzy nimi. Wobec tego im bliżej siebie są położone geny, tym wyższy stopień sprzężenia będzie wykazywał ich dziedziczenie, czyli będzie mniejszy procent rekombinantów. Odwrotnie, im dalej od siebie są położone geny w chmmosomie, tym częściej będzie zachodził crossing-over między nimi i wobec tego dziedziczenie ich będzie wykazywało słaby stopień sprzężenia przejawiający się wysoką częstością powstawania rekombinantów. Ponieważ dla dwóch genów częstość występowania rekombinacji jest stała, a różna jest dla różnych par genów, Morgan doszedł do wniosku, że geny są położone wzdłuż chromosomów, i że każdy gen ma stałe miejsce w chromosomie, które obecnie nazywamy locus (liczba mnoga loci) genu. Zatem częstość powstawania rekombinacji między genami sprzężonymi jest proporcjonalna do odległości ich loci w badanym chromosomie. Im bliżej siebie w chromosomie znajdują się loci dwóch genów, tym rzadziej zachodzi między nimi crossing-over, czyli istnieje między nimi silne sprzężenie, zatem częstość powstawania rekombinacji jest niewielka. Oczywiście położenie w chromosomie, czyli locus różnych alleli tego samego genu, będzie to samo gdyż, jak wiemy, allele powstają w wyniku zmian w obrębie danego genu. Dzięki temu, jak stwierdziliśmy na przykładzie genów Y i W u Drosophila, częstość rekombinacji między tymi dwoma genami wynosi 1,5% bez względu na to, jaki jest układ alleli tych dwóch genów w homologicznych, rodzicielskich chromosomach X heterozygotycznej samicy. Tak więc ustalajac częstość zachodzenia crossing-over między różnymi parami genów możemy ustalać ich wzajemne położenie i odległości między nimi w chromosomie, czyli możemy mapować geny w obrębie chromosomu.
5.3.4.
Mapowanie genów w chromosomach
Na podstawie wyżej opisanych doświadczeń Morgan i jego
współpracownicy przystąpili do mapowania genów w chromosomach Drosophila. Jeśli geny są ułożone liniowo wzdłuż chromosomu i zajmują w nim stałe określone miejsca, czyli loci, a częstości crossing-over między genami sa proporcjonalne do ich odległości, to można stworzyć liniową mapę genów w chromosomie. Wyobraźmy sobie, że trzy geny a, b oraz c znajdują się w jednym chromosomie w takiej właśnie kolejności. Jeśli częstość crossing-over między genami a i b wynosi powiedzmy 1,5%, a między genami b i c 5%, to częstość crossing-over między genami a i c powinna wynosić 6,5%, czyli powinna odpowiadać sumie odległości między a - b oraz b - c. Okazało się, że rzeczywiście między blisko sprzężonymi genami występują tego rodzaju zależności. Zakładając, że odległości między genami sa proporcjonalne do częstości crossing-over między nimi, możemy przyjać np.1 % crossing-over jako miarę odległości i na tej podstawie ustalać na mapie odległości między genami, a każdy % częstości crossing-over będzie odpowiadać jednostce mapowej odległości. Mapujac w ten sposób coraz bardziej odległe od siebie, lecz leżące wzdłuż tego samego chromosomu, geny napotykamy dodatkowe komplikacje. Między koniugującymi chromosomami
homologicznymi zachodzi nie jeden, ale zwykle wiele crossing-over. Jeśli dwa badane geny leżą dostatecznie daleko od siebie, to między nimi będa zachodzić z pewna częstością dwa crossing-over
jednocześnie. Jak się łatwo przekonać, w tym przypadku układ obu alleli w chromosomach homologicznych nie ulegnie żadnej zmianie, tak jakby w ogóle nie zdarzył się żaden crossing-over. Gdyby na odcinku wymienionym między miejscami dwóch crossing-over znajdował się trzeci gen, to zmieniłoby się położenie alleli środkowego genu w stosunku do alleli dwóch skrajnych genów. Moglibyśmy w takiej krzyżówce dotyczącej trzech różnych genów wykrywać także wypadki podwójnego crossing-over. Na podstawie wyników takiej krzyżówki można bezpośrednio ustalić, które geny są skrajne, a który środkowy. Mapowanie genów stwarza jeszcze wiele innych złożonych problemów, których nie sposób tu dokładnie omówić. Okazało się, że mapujac kolejne geny w chromosomie możemy jednak stopniowo ustalać ich wzajemne położenie i odległości. Należy jednak postępować w ten sposób, aby w miarę możliwości ustalić odległości między genami leżącymi stosunkowo blisko na mapie chromosomu. W wypadku genów leżących w jednym chromosomie, lecz bardzo daleko od siebie,na skutek występowania licznych, wielokrotnych crossing-over możemy obserwować dziedziczenie całkowicie niezależne. 0 tym, że geny leżą w tym samym chromosomie, możemy się przekonać badając ich sprzężenie z innymi genami leżącymi pośrodku, między obu skrajnymi genami. Geny leżące w jednym chromosomie, jak na przykład u Drosophila w chromosomie X, będą stanowiły jedną grupę sprzężeniową genów. Poza tym u Drosophila występują jeszcze trzy odrębne autosomy i przy mapowaniu genów Drosophila okazało się, że istnieją jeszcze trzy grupy genów sprzężonych odpowiadajace trzem autosomom. Tak więc liczba grup genów sprzężonych u Drosophila odpowiada haploidalnej liczbie chromosomów tego gatunku n = 4. Gdy zaczęto badać zjawiska sprzężenia u innych organizmów, zarówno zwierzęcych, jak i roślinnych, stwierdżono zupełnie identyczne jak u Drosophila zależności między częstościa crossing-over a odległością loci genowych. Obecnie dla wielu organizmów opracowano bardzo
szczegółowe mapy genetyczne ich chromosomów. Jeśli na przykład kukurydza ma liczbę haploidalną chromosomów 10, to występuje u niej 10 grup genów sprzężonych, odpowiadających poszczególnym
chromosomom. U bakterii, w których występuje tylko jeden chromosom w postaci jednej cząsteczki DNA, geny tworzą tylko jedną grupę sprzężeniową. Jak wiadomo, u samców Drosophila występuje jeszcze chromosom Y. Chromosom ten nie jest homologiczny do chromosomu X i nie zawiera alleli genów zawartych w chromosomie X. Chromosom Y jest prawie genetycznie pusty. Otrzymano nawet samce Drosophila, które w ogóle nie mają chromosomu Y, a są zdolne do życia. Są one jednak catkowicie bezpłodne i nie wytwarzają żywotnych plemników. Widocznie w chromosomie Y Drosophila mieszczą się jakieś geny, czy pojedynczy gen konieczny do normalnego przebiegu spermatogenezy i wytworzenia żywotnych plemników. U człowieka mężczyźni również mają chromosom X i chromosom Y, a kobiety dwa chromosomy X. Chromosom Y ssaków z człowiekiem włącznie jest jednak odmienny od chromosomu Y Drosophila i zawiera bliżej nie znane geny konieczne do wytworzenia drugorzędnych cech u osobnika płci męskiej.
5.3.5.
Dlaczego geny są ułożone liniowo w chromosomach?
U wszystkich organizmów genetycznie bliżej zbadanych geny są ułożone liniowo w chromosomach. Dotyczy to nie tylko wyższych organizmów roślinnych i zwierzęcych z człowiekiem włącznie, ale także najprostszych tworów żywych, takich jak bakterie czy wirusy. Obecnie żywe organizmy dzieli się na dwie zasadnicze grupy w zależności od struktury ich komórek. Bakterie i sinice mają komórki o bardzo prostej budowie - bez wyodrębnionego jądra i bez takich organelli komórkowych, jak mitochondria czy plastydy. Rolę chromosomu spełnia tu jedna kolista cząsteczka DNA. Te bardzo pierwotne organizmy stanowia grupę zwaną Procaryota.Cała reszta świata ożywionego ma komórki z jądrem, w którym występują chromosomy, a w cytoplazmie organelle - mitochondria i plastydy. Jest to znacznie wyższy poziom organizacji komórkowej i organizmy zbudowane z tego typu komórek zaliczamy do drugiej grupy-Eucaryota. Pierwotnie badania genetyczne dotyczyły tylko organizmów wyższych, eukariotycznych. Gdy w latach czterdziestych XX wieku rozpoczęto badania genetyczne nad bakteriami, to w stosunkowo niedługim czasie wykazano, że mimo iż nie rozmnażają się one płciowo, można je badać pod względem genetycznym. Bakterie na przykład mogą koniugować ze sobą, przy czym jeden typ komórek szczepu biorcy może pobierać fragmenty DNA od drugiego szczepu dawcy, który przekazuje część swej cząsteczki DNA do komórki biorcy. W komórce biorcy między własną czasteczką DNA, która pełni rolę chromosomu bakterii, a otrzymanym od dawcy fragmentem DNA zachodzi następnie, w sposób podobny do crossing-over, wymiana genów między DNA dawcy a DNA biorcy. Proces ten jest analogiczny do wymiany odcinków chromosomów w czasie mejozy u Eucaryota. Okazało się, że wykorzystując te zjawiska można było mapować geny u bakterii w podobny sposób jak u Drosophila. Liczne poznane u bakterii geny warunkujące przede wszystkim właściwości biochemiczne, jak na przykład zdolność do syntezy różnych aminokwasów, witamin czy innych związków
syntetyzowanych w komórkach, mają w chromosomach określone swoje pozycje, czyli loci i ułożone sa wzdłuż cząsteczki DNA w ściśle określonej kolejności. Powstały więc mapy genetyczne chromosomów bakterii. 0 ile mapy chromosomów organizmów eukariotycznych są liniowe, o tyle mapy genetyczne bakterii są koliste. Wynika to z faktu, że DNA chromosomu bakteryjnego jest cząsteczką kolistą, nie posiadającą wolnych końców. Wirusy, które nie mają budowy komórkowej, a są jedynie pasożytami wewnątrzkomórkowymi, składają się tylko z małej cząsteczki DNA otoczonej płaszczem białkowym. Infekując komórki wprowadzają do ich wnętrza swój DNA, który wewnątrz komórek namnaża się i powoduje wytwarzanie potomnych wirusów. Infekcja wirusowa może być przyczyną śmierci komórki i licznych groźnych chorób roślin i zwierząt. Specjalna grupa wirusów może atakować komórki bakteryjne. Wirusy bakteryjne, czyli bakteriofagi (w skrócie fagi) odegrały w genetyce bardzo istotną rolę. Są one najprostszym modelem genetycznym, w którym jedna mała cząsteczka DNA,spełniająca rolę chromosomu wirusowego, zostaje wprowadzona do komórki. Niektóre fagi zawierają w swym DNA zaledwie kilka lub kilkanaście genów kodujących białka fagowe. Geny te mogą mutować i wobec tego można otrzymać wirusy zawierające różne allele genów wirusowych. Jeśli zainfekujemy komórkę bakteryjną na przykład dwoma fagami różniącymi się allelami dwóch różnych genów, to po namnożeniu się tych fagów w komórkach bakteryjnych stwierdzimy, że wśród fagów potomnych będą występowały zarówno fagi o kombinacjach genów rodzicielskich, jak i fagi o zrekombinowanych genach pochodzących z dwóch odrębnych czasteczek DNA fagów rodzicielskich. Zachodzi tu więc znowu rekombinacja zbliżona do crossing-over, co umożliwia mapowanie genów w cząsteczce DNA wirusa. Dla wielu wirusów opracowano dokładne mapy genetyczne ich genów. Mapy te są bądź liniowe, badź też koliste w zależności od tego czy cząsteczki DNA danego wirusa sa liniowe, czy też koliste. Obecnie została w pełni poznana budowa DNA kilku wirusów, czyli po prostu znana jest kolejność (sekwencja) par nukleotydów w ich całym DNA. Wiadomo więc dokładnie, od którego nukleotydu w DNA zaczyna się każdy gen, i na którym nukleotydzie gen się kończy. Taka pełna analiza DNA jest możliwa tylko u wirusów o małych cząsteczkach DNA, złożonych z kilku tysięcy par nukleotydów i zawierających zaledwie kilka genów białek wirusowych. Ważnym faktem jest to, iż wyniki
fizyczno-chemicznej analizy DNA wykazują pełną zgodność z mapą genetyczną DNA otrzymaną metodami genetycznymi. Z badań tych wynika jeden ważny wniosek, że geny są to odcinki jednej cząsteczki DNA, oraz drugi wniosek, że cząsteczki DNA mogą między sobą rekombinować poprzez wymianę odcinków, czyli crossing-over.Chromosomy wyższych organizmów eukariotycznych nie są już "nagimi" cząsteczkami DNA. DNA w chromosomach jest powiązany z szeregiem różnych białek tworząc tak zwana chromatynę. Długie nici chromatyny w chromosomach są silnie skręcone i zwinięte. Każdy chromosom przedstawia więc jakby jedną długą, skręcona cząsteczkę DNA powiązaną z białkami. Ilość DNA w komórkach roślin i zwierząt jest olbrzymia i odpowiada kilku miliardom par nukleotydów. Gdyby łańcuchy DNA człowieka rozwinąć, to, długość ich wynosiłaby około 0,5 metra, podczas gdy jądro komórkowe zawierające chromosomy ma wymiary zaledwie kilkudziesięciu mikrometrów. Niemniej każdy chromosom możemy rozpatrywać jako jedną bardzo długą cząsteczkę DNA. Liniowa mapa genetyczna chromosomu odzwierciedla liniową cząsteczkę DNA, jej różne odcinki odpowiadają kolejnym genom w danym chromosomie. A więc odpowiedź na pytanie postawione w tytule tego podrozdziału -dlaczego geny sa utożone liniowo w chromosomach? - można
sformułować w następujący sposób: ponieważ każdy chromosom to długa liniowa cząsteczka kwasu deoksyrybonukleinowego /DNA/, a geny są jedynie kolejnymi odcinkami cząsteczki tego kwasu.
5.4. Natura chemiczna genu a jego funkcje biologiczne
Wielokrotnie już wspominaliśmy, że geny są to odcinki DNA ułożone wzdłuż długiej łańcuchowej cząsteczki DNA. Doświadczenie, które w sposób przekonujący udowodniło to twierdzenie, zostało wykonane w roku 1944 przez amerykańskiego uczonego D. T. Avery'ego i jego współpracowników. Avery badał zjawisko zwane transformacją bakteryjną. Zjawisko transformacji bakterii polega, jak dziś wiemy, na zdolności bakterii do pobierania DNA z innego szczepu
bakteryjnego. Jeśli szczep biorcy, który ma być transtormowany, ma jakąś cechę dziedziczną, powiedzmy wrażliwość na penicylinę, i jeśli do procesu transformacji użyjemy DNA ze szczepu opornego na penicylinę, to pewna część komórek biorcy na skutek pobrania DNA z komórek dawcy stanie się oporna na penicylinę. Komórki bakterii zostaną więc stransformok#ane i powstające transformanty nabywają dziedziczną cechę szczepu dawcy. Za pomoca transformacji moga być transformowane bardzo różne cechy dziedziczne bakterii.
Transformację bakterii wykonuje się w ten sposób, że do pożywki, na której hodujemy komórki szczepu biorcy, dodaje się ze szczepów dawcy jedynie cząsteczki DNA chemicznie czyste, bez żadnych innych domieszek. Komórki biorcy, jak się okazało, mogą pobierać i wprowadzać do swojego wnętrza fragmenty czasteczek DNA dawcy o długości do kilku tysięcy par nukleotydów. W stosunku do długości całego chromosomu bakteryjnego, zawierającego kilka milionów par nukleotydów, będą to stosunkowo drobne fragmenty DNA dawcy. Transformacja zachodzi tylko wtedy, gdy komórki biorcy mają zdolność aktywnego wprowadzania do swojego wnętrza DNA dawcy występujacego w pożywce. Do wnętrza komórek biorcy będa wnikać oczywiście różne fragmenty DNA, a między nimi i ten fragment DNA, który zawiera gen oporności na penicylinę. Jak wykazały dalsze badania nad transformacją bakterii, odcinek DNA z genem oporności na penicylinę, który oznaczymy symbolem A, odnajduje w chromosomie bakteryjnym homologiczny odcinek z allelem wrażliwości na penicylinę, który oznaczymy symbolem a. Następnie między
chromosomem bakteryjnym a odcinkiem DNA dawcy z allelem A zachodzi rekombinacja typu crossing-over. W wyniku dwóch crossing-over na lewo i na prawo od allelu A odcinek DNA dawcy z allelem A zostaje wymieniony z odpowiednim odcinkiem chromosomu biorcy z allelem a. Powstaje bakteria, która zamiast allelu a ma włączony do chromosomu allel A pochodzący ze szczepu dawcy. Z takiej komórki w wyniku licznych podziałów powstaje kolonia transformantów oporna na penicylinę. Możemy ją łatwo wykryć wysiewając na pożywkę z penicyliną komórki biorcy po transformacji. Na tej pożywce wyrosną oczywiście tylko te transformanty, które mają allel A oporności na penicylinę wprowadzony wraz z DNA dawcy. Transformacja jest w pełni przekonującym dowodem na to, że tylko pobranie DNA dawcy przez biorcę może zmienić jego właściwości dziedziczne. Żadne inne związki chemiczne występujace w komórce, jak na przykład białka, transformacji nie wywołują. Jeśli DNA dawcy był znakowany radioaktywnymi pierwiastkami, można wykazać, że rzeczywiście do DNA biorcy został włączony odcinek DNA dawcy. Tak więc po opublikowaniu wyników doświadczeń Avery'ego nad transformacją bakterii, rola DNA w dziedziczeniu została ostatecznie udowodniona. Nowym podstawowym problemem dla całej biologii stało się poznanie budowy i funkcji cząsteczek DNA.
5.4.1.
Składniki i budowa kwasu deoksyrybonukleinowego, czyli DNA
DNA występuje w komórkach Eucaryota głównie w chromosomach, choć niewielkie jego ilości występuja w mitochondriach, a także w chloroplastach komórek roślinnych. Ilość DNA w jądrach komórkowych danego gatunku jest stała, a dla różnych gatunków różna. Organizmy ewolucyjnie wyżej postawionwe, o bardziej złożonej strukturze, mają zwykle więcej DNA. Oto kilka przykładów: najprostsze wirusy mają DNA złożony z kilku tysięcy par nukleotydów, bakterie - z około 4 milionów par nukleotydów, drożdże - z około 13,5 miliona par nukleotydów, Drosophila - z 165 milionów par nukleotydów, zaś człowiek ma DNA złożony z 2900 milionów par nukleotydów. Oczywiście w komórkach diploidalnych jest dwa razy więcej DNA niż w
haploidalnych komórkach płciowych. DNA jest jedynym związkiem chemicznym, którego ilość w komórkach jest stała bez względu na typ zróżnicowania komórek, z wyjątkiem komórek płciowych. Już sam ten fakt wskazuje na zupełnie wyjątkową rolę, jaką DNA spełnia w komórkach.
5.4.1.1.
Składniki DNA
W skład DNA wchodzą podstawowe jednostki, które nazywamy
nukleotydami. Nukleotydy zbudowane są z trzech odrębnych
składników. W skład każdego nukleotydu wchodzi cząsteczka pięciowęglowego cukru (czyli pentozy) zwanego deoksyrybozą. Do cząsteczki deoksyrybozy z jednej strony dołączona jest cząsteczka kwasu fosforowego, a z drugiej strony organiczna zasada azotowa. W nukleotydach występują cztery rodzaje zasad azotowych. Są to związki pierścieniowe o dość złożonej budowie należące do dwóch grup chemicznych - puryn bądź pirymidyn. Spośród puryn należy wymienić adeninę (symbol A) i guaninę (symbol G), zaś z grupy pirymidyn - cytozynę (symbol C) i tyminę (symbol T). Wzory tych zasad pokazane sa na rysunku 5.19. Wobec tego, w DNA występują cztery rodzaje nukleotydów zależnie od tego, która z czterech różnych zasad jest powiązana z resztą składników nukleotydu. Te cztery rodzaje nukleotydów różnią się między soba jedynie rodzajem zasady azotowej przyłączonej do deoksyrybozy. W cząsteczkach DNA liczne nukleotydy połączone są w długie łańcuchy. Łańcuchy DNA mogą być bardzo różnej długości i są złożone z tysięcy czy nawet milionów powiązanych ze sobą nukleotydów. Pojedyncze nukleotydy w łańcuchu DNA łączą się z sobą dość silnymi wiązaniami chemicznymi zwanymi wiązaniami estrowymi, tworzącymi się między cząsteczką cukru deoksyrybozy jednego nukleotydu z czasteczką kwasu
fosforowego i między tą cząsteczką kwasu fosforowego a czasteczką deoksyrybozy drugiego nukleotydu. Takie łańcuchy nukleotydowe, zwane inaczej łańcuchami polinukleotydowymi, przedstawiają jakby rodzaj mocno powiązanej i złożonej z tych samych elementów (cząsteczek deoksyrybozy powiązanych resztkami kwasu fosforowego) sztywnej osi, z której sterczą przyczepione do cząsteczek deoksyrybozy cztery rodzaje zasad azotowych. Rodzaj składników DNA i sposób ich wzajemnego powiązania w łańcuchach polinukleotydowych są identyczne we wszystkich organizmach.
5.4.1.2.
Budowa cząsteczek DNA
Pojedyncze łańcuchy polinukleotydowe jako forma trwała DNA występują w przyrodzie rzadko i odkryte zostały tylko u niektórych wirusów. DNA chromosomów organizmów tak prokariotycznych jak i eukariotycznych występuje zawsze w postaci dwu łańcuchów DNA skręconych helikoidalnie wokół siebie. Taką postać DNA nazywa się podwójnym heliksem. Jakkolwiek w ciagu kilku pierwszych lat intensywnych badań nad DNA już wiele wiedziano o nukleotydach i sposobie ich powiązania w łańcuchach polinukleotydowych, to nie umiano wyjaśnić budowy cząsteczek DNA w tej postaci, w jakiej występują one w komórkach. Dopiero dwaj badacze F. Crick i J. Watson zaproponowali w 1953 roku model podwójnego heliksu DNA. Model ten, oparty na danych o składzie chemicznym DNA i na danych krystalograficznych, wyjaśniał wszystkie znane właściwości chemiczne i fizyczne cząsteczek DNA, a jednocześnie wyjaśniał rolę DNA w procesach życiowych, zwłaszcza w zjawiskach dziedziczności. Był to olbrzymi krok w poznaniu budowy DNA i autorzy tego modeluotrzymali wkrótce Nagrodę Nobla. W podwójnym heliksie DNA dwa łańcuchy polinukleotydowe występują naprzeciw siebie. Na zewnątrz znajdują się sztywne jakby kręgosłupy złożone z reszt cząsteczek deoksyrybozy połączonych wi#zaniami fosforowymi (wiązania fosfodiestrowe). Sterczące ku środkowi heliksu zasady azotowe obu łańcuchów polinukleotydowych są połączone między sobą stosunkowo słabymi wiązaniami wodorowymi. Podstawową regułą struktury heliksu DNA jest to, iż zawsze naprzeciw zasady purynowej w jednym łańcuchu występuje zasada pirymidynowa w drugim tańcuchu. Zatem zawsze naprzeciw adeniny w jednym łańcuchu znajduje się tymina w drugim łańcuchu,przy czym połączone są one ze sobą dwoma wiązaniami wodorowymi. Oczywiście naprzeciw tyminy w jednym łańcuchu znajduje się adenina w drugim łańcuchu. Podobnie naprzeciw guaniny w jednym łańcuchu znajduje się cytozyna w drugim łańcuchu, i te dwie zasady połączone są trzema wiązaniami wodorowymi. Jeśli wyobrazimy sobie podwójny heliks DNA przedstawiony na płaszczyźnie, to otrzymamy obraz jakby drabiny o dwóch dość sztywnych bokach złożonych z elementów cukrowo-fosforanowych, między którymi występują jak szczeble drabiny pary zasad purynowych i pirymidynowych połączonych wiązaniami wodorowymi. W rzeczywistości podwójny heliks jest bryłą trójwymiarową, w której oba łańcuchy DNA powiązane zasadami są jeszcze helikoidalnie skręcone wokót siebie. Oba łańcuchy podwójnego heliksu są względem siebie uzupełniające, inaczej mówiąc są komplementarne. Znając kolejność zasad w jednym łańcuchu można powiedzieć natychmiast, jakie zasady będą w łańcuchu
komplementarnym. O ile powiązanie kolejnych nukleotydów w pojedynczym łańcuchu DNA jest silne i trudne do zerwania, o tyle wiązania wodorowe między zasadami z dwóch odrębnych łańcuchów są słabe i łatwe do zerwania. Wystarczy podwyższyć temperaturę do około 70-80 stopni Celsjusza, aby wiązania te zostały zerwane i podwójny heliks DNA rozdzielił się na pojedyncze łańcuchy polinukleotydowe. Te właściwości DNA są bardzo ważne dla jego funkcji biologicznych, gdyjak będziemy o tym mówić, przy replikacji DNA czy też tak zwanej transkrypcji przynajmniej chwilowo i przejściowo dwa komplementarne łańcuchy podwójnego heliksu muszą być w komórkach rozdzielane. Łańcuchy DNA wykazują także jakby biegunowość, czyli polarność. Wiązania fosfodiestrowe między deoksyrybozami dwóch sąsiadujących w DNA nukleotydów powstają przy innych węglach pierścienia deoksyrybozy. Pozycje te oznaczane są symbolem 3' i 5'. Wobec tego dwa końce liniowej cząsteczki DNA są różne - na jednym końcu pozycja 3' deoksyrybozy jest nie powiązana z resztą fosforanową, a na drugim końcu łańcucha przy pozycji 5' deoksyrybozy znajduje się reszta fosforanowa. Tak więc łańcuch polinukleotydowy ma odrębne końce 3' i 5'. W podwójnym heliksie DNA dwa łańcuchy polinukleotydowe mają nie tylko komplementarny układ zasad wzdłuż łańcucha, ale także przeciwną polarność. To znaczy, że jeśli od określonego końca jeden łańcuch będzie wykazywał polarność od 5' do 3', to drugi łańcuch komplementarny będzie miał polarność odwrotna - od końca 3' do końca 5'. Ta polarność łańcuchów DNA ma istotne znaczenie biologiczne. Jeśli kolejność ułożenia nukleotydów wzdłuż łańcucha DNA oznacza informację genetyczną odczytywaną w jakiś sposób przez komórkę, to informacja musi być odczytywana w jakimś określonym kierunku na określonym łańcuchu podwójnego heliksu DNA. Polarność łańcuchów DNA stanowi więc informację dla komórki określajacą kierunek odczytu zapisanej w DNA informacji genetycznej. Jednym słowem struktura DNA w postaci podwójnego heliksu jest określona całym szeregiem obowiązujących bardzo istotnych prawideł. W podwójnym heliksie DNA sąsiadują cztery możliwe pary zasad: AT, TA, GC i CG. Dlatego określajac wielkość cząsteczek DNA w różnych organizmach podajemy je jako liczbę par zasad. W podwójnym heliksie DNA oczywiście ilość puryn, a więc A+G, równa się ilości pirymidyn T+C, ponieważ zawsze naprzeciw puryny w jednym łańcuchu znajduje się pirymidyna w drugim łańcuchu. Należy również pamiętać, że w pojedynczych łańcuchach DNA cztery różne nukleotydy mogą występować w zupełnie dowolnej kolejności i dowolnie ze sobą sąsiadować. Toteż w DNA pochodzącym z różnych organizmów stosunek ilościowy naprzykład par GC i AT może być bardzo różny. Ilość możliwych odrębnych zapisów genetycznych w DNA w postaci długich szeregów dowolnie ułożonych obok siebie czterech rodzajów nukleotydów jest prawie nieograniczona; podobnie jak przy użyciu niewielkiej liczby odrębnych zńaków w postaci liter alfabetu można napisać nieograniczoną liczbę książek. Jeśli na jednym łańcuchu podwójnego heliksu DNA zapisana jest informacja genetyczna w postaci określonej sekwencji nukleotydów odczytywanej w jednym,określonym kierunku łańcucha polinukleotydowego, to drugi komplementarny łańcuch podwójnego heliksu DNA jest jakby negatywem tego zapisu. Na tym łańcuchu jako na wzorcu, czyli na matrycy, może być odtwarzany komplementarny łańcuch z zapisem informacji genetycznej. Na tym nowym łańcuchu z zapisem genetycznym może analogicznie być odtworzony negatyw zapisu w postaci łańcucha komplementarnego, który w następnym podziale będzie znowu służył jako wzorzec do odtworzenia łańcucha z zapisem genetycznym. Tak więc struktura DNA w postaci podwójnego heliksu ma istotne znaczenie dla funkcjonowania DNA jako substancji dziedzicznej, gdyż umożliwia precyzyjne kopiowanie cząsteczek DNA w procesie zwanym replikacją DNA.
5.4.2.
Replikacja DNA
Proces replikacji DNA, czyli kopiowania jego cząsteczek, został najpierw doktadniej zbadany w komórkach bakteryjnych, w których odpowiednikiem chromosomu jest jedna kolista cząsteczka podwójnego heliksu DNA. W replikacji DNA bierze udział szereg białek enzymatycznych, z których podstawowym jest enzym polimeraza DNA. Enzym ten powoduje wiązanie w łańcuchy polinukleotydowe wolnych nukleotydów wytwarzanych w komórkach. Polimeraza DNA dokonuje łaczenia nukleotydów jedynie na matrycy istniejących w komórce łańcuchów DNA. W procesie syntezy łańcucha polinukleotydowego matrycą wykorzystywaną przez polimerazę jest pojedynczy łańcuch DNA. Polimeraza rozpoczynając i łącząc się z pojedynczym łańcuchem DNA syntetyzuje drugi łańcuch komplementarny o przeciwnej polarności. Jeśli w łańcuchu matrycowym będą występować kolejno zasady np. 5'AGCTAATCCGG3', to w łańcuchu nowo syntetyzowanym nukleotydy będą ułożone w kolejności 3'TCGATTAGGCCS', przy czym jeśli w łańcuchu matrycowym koniec 5' będzie na lewo, a koniec 3' na prawo, to w syntetyzowanym łańcuchu będzie odwrotnie - koniec 3' na lewo, a koniec 5' na prawo. W wyniku tego procesu powstanie podwójny heliks DNA, w którym jeden łańcuch będzie stary, matrycowy, a drugi nowy. W komórce występuje podwójny heliks DNA i replikacji ulegają jednocześnie oba łańcuchy DNA. Aby te łańcuchy mogły służyć jako matryce do syntezy nowych cząsteczek DNA, muszą być one od siebie oddzielone i występować w postaci pojedynczych łańcuchów. Jak wiemy, oba łańcuchy podwójnego heliksu są powiązane słabymi wiazaniami wodorowymi między zasadami purynowymi i pirymidynowymi obu komplementarnych łańcuchów. Wiązania te mogą być w komórce łatwo rozerwane. Z reguły początkiem replikacji chromosomu bakteryjnego jest lokalne oddzielenie się i rozplecenie łańcuchów DNA podwójnego heliksu. W chromosomie bakterii istnieje jedno określone miejsce w kolistej cząsteczce DNA, stanowiące miejsce startu replikacji DNA. W miejscu tym następuje lokalne rozplecenie obu łańcuchów podwójnego heliksu w wyniku czego powstaja tak zwane widełki replikacyjne złożone z pojedynczych łańcuchów DNA. Jest to bardzo złożony proces, przeprowadzany przez szereg białek enzymatycznych. Z miejsca startu w widełkach replikacyjnych polimeraza DNA na obu łańcuchach DNA przeprowadza syntezę nowych komplementarnych łańcuchów DNA. Synteza nowych łańcuchów DNA przebiega w obu kierunkach kolistej cząsteczki DNA w ten sposób, że widełki replikacyjne przesuwają się coraz dalej od miejscastartu odsłaniając coraz to nowe odcinki pojedynczych łańcuchów DNA. Gdy cała cząsteczka DNA zostanie w ten sposób zreplikowana, powstają dwa koliste podwójne heliksy DNA, każdy złożony z jednego "starego",matrycowego łańcucha DNA i jednego "nowego". Replikacja chromosomu bakterii pałeczki okrężnicy (Escherichia coli), najczęściej używanej w doświadczeniach genetycznych, zachodzi mniej więcej w ciagu 40 minut. Ponieważ DNA tej bakterii zawiera około 4 milionów par nukleotydów, to w ciągu minuty jest replikowanych około 100 tysięcy nukleotydów.
Przypomnijmy jeszcze, że oprócz polimerazy DNA w procesie replikacji bierze udział wiele innych białek enzymatycznych koniecznych do właściwego startu, przebiegu i zakończenia replikacji. Wytworzone w procesie replikacji dwa identyczne podwójne heliksy DNA sa następnie rozdzielane do potomnych komórek w czasie wzrostu i podziału komórkowego bakterii. W komórkach organizmów eukariotycznych, w których DNA występuje w wielu chromosomach, replikacja DNA zachodzi w identyczny sposób jak u bakterii. Zważywszy, że w chromosomach eukariontów jest znacznie więcej DNA niż w pojedynczym chromosomie bakterii, replikacja DNA nie może się zaczynać tylko w jednym określonym miejscu, tak jak w chromosomie bakteryjnym, trwałaby bowiem zbyt długo - do replikacji DNA jednego chromosomu trzeba by było dziesiątków czy setek godzin. Toteż w chromosocnach eukariontów występują bardzo liczne miejsca startu replikacji DNA, w nich to-jednocześnie-rozpoczyna się replikacja DNA; trwa ona 6-8 godzin. Replikacja DNA z reguły poprzedza każdy podział komórkowy bakterii i innych organizmów prokariotycznych, a u organizmów eukariotycznych poprzedza mitozę. W czasie mitozy zachodzi już tylko rozdział zreplikowanego DNA w postaci potomnych chromosomów rozdzielanych do jąder komórek siostrzanych. W ten sposób wszystkie potomne komórki powstające w wyniku kolejnych mitoz będą miały w zasadzie identyczne cząsteczki DNA i wobec tego będa genetycznie identyczne. Również w przypadku podziałów mejotycznych, występujących u organizmów rozmnażajacych się płciowo, replikacja DNA poprzedza pierwszy podział mejotyczny. W profazie pierwszego podziału mejotycznego, kiedy chromosomy homologiczne łącza się w pary, czyli biwalenty, są już one zreplikowane i składaja się z dwóch siostrzanych chromatyd. W biwalencie więc znajdują się już cztery chromatydy. Mogący nastąpić w tym czasie crossing-over odbywa się, jak już wspominaliśmy, między chromatydami obu homologicznych chromosomów. Haploidalne "produkty" mejozy nie są identyczne, co wynika zarówno z segregacji całych chromosomów, jak i wymiany odcinków DNA wskutek
crossing-over między homologicznymi chromosomami. Proces replikacji DNA jest podstawą zjawiska dziedziczności. Dzięki stałej, powtarzającej się w kolejnych cyklach, replikacji cząsteczek DNA informacja genetyczna zawarta w DNA jest przekazywana komórkom potomnym. Możliwość replikowania DNA oczywiście jest ściśle związana ze strukturą podwójnego heliksu.
5.4.3.
Informacja genetyczna zawarta w DNA
DNA, aby spełniać rolę substancji związanej z dziedzicznością, musi nie tylko mieć zdolność replikowania się, dzięki czemu identyczne jego kopie są przekazywane do komórek potomnych, lecz musi także zawierać istotną informację genetyczną. Na ogół DNA w całym świecie ożywionym wykazuje tę samą budowę w postaci podwójnego heliksu i składa się z tych samych czterech rodzajów nukleotydów. Gdy porównujemy DNA pochodzący z różnych organizmów, to pomijając istotne różnice w ilości tego związku w jądrach, stwierdzamy przede wszystkim różnice w składzie ilościowym zasad występująych w DNA różnych gatunków. Jak już mówiliśmy, w DNA ilość różnych puryn (A+G) musi się zawsze równać ilości różnych pirymidyn (T+C). Wynika to ze struktury podwójnego heliksu. Jednak stosunek ilości A+T do ilości G+C jest u różnych gatunków bardzo różny. Na przykład stosunek A+T(licznik) do G+C(mianownik) w DNA niektórych bakterii wynosi około 0,5, u człowieka wynosi on 1,66, a u drożdży 1,77. A więc w heliksie DNA bakterii liczba par GC czy CG jest dwa razy większa niż liczba par AT badź TA, a u człowieka liczba par AT czy TA jest ponad 1,5 raza większa niż liczba par GC bądź CG. Ponieważ, jak już mówiliśmy, kolejność występowania czterech różnych nukleotydów wzdłuż łańcucha DNA jest niczym nie ograniczona, DNA pochodzący z różnych organizmów różni się przede wszystkim ułożeniem, czyli sekwencją różnych nukleotydów w łańcuchach polinukleotydowych, a nie ich stosunkiem ilościowym. Wyobraźmy sobie, że dwa teksty, na przykład "Ogniem i mieczem" i "Pan Tadeusz", mogą zawierać w przybliżeniu tę samą liczbę, a nawet podobne wzajemne proporcje koniecznych do ich napisania znaków alfabetu. 0 całkowitej odrębności tych dwóch utworów decyduje nie liczba użytych różnych liter, ale właśnie ich kolejność
występowania w słowach i zdaniach, czyli sekwencja. Analogicznie, o różnych DNA pochodzących z różnych gatunków decyduje przede wszystkim kolejność, czyli sekwencja nukleotydów wzdłuż łańcuchów polinukleotydowych. Jeśli sekwencja nukleotydów w DNA decyduje o treści informacji genetycznej komórek, to przede wszystkim musimy odpowiedzieć na dwa zasadnicze pytania. Czego ta informacja genetyczna dotyczy? Jak ta informacja zostaje zrealizowana w komórkach organizmów? Dzięki wspólnym wysiłkom licznych genetyków i biochemików, w wyniku wielu bardzo pomysłowych doświadczeń wykonanych na początku lat 60tych naszego stulecia, można już na oba te pytania dać jednoznaczne odpowiedzi. Odpowiedź na pierwsze pytanie brzmi: sekwencja nukleotydów w DNA jest jakby matrycą w procesie syntezy licznych, odrębnych białek wytwarzanych przez komórki organizmu. Odpowiedź na drugie pytanie brzmi zaś: te zsyntetyzowane na matrycy DNA białka, a zwłaszcza enzymatyczne, decydują o metabolizmie komórek, wpływają na wzrost, rozwój i na wykształcenie wszelkich właściwości dziedzicznych organizmów. Zapis w DNA o zdolności do syntezy białek nie jest przez komórkę wykorzystywany bezpośrednio, ponieważ sekwencja nukleotydów w DNA jest niejako szyfrem, czyli kodem, który w komórkach musi być odczytany i "przetłumaczony" na odpowiedni "zapis białkowy '.
5.4.4.
Kod genetyczny
W każdym piśmie istnieje określona liczba znaków pisarskich czyli liter. W naszym alfabecie jest 27 znaków.Można jednak jakiś tekst zaszyfrować za pomocą innego systemu zapisu używając znacznie mniejszej liezby znaków, na przykład alfabetem Morse'a, w którym występują tylko dwa rodzaje znaków-kreska i kropka. Aby taki zaszyfrowany tekst odczytać, trzeba tylko znać zasady szyfru. Tysiące różnych białek wytwarzanych przez różne organizmy to, jak już wspominaliśmy, związki łańcuchowe złożone z 20 rodzajów aminokwasów powiązanych z sobą wiązaniami peptydowymi. Wiązanie peptydowe między dwoma dowolnymi aminokwasami tworzy się między grupą aminową (NH2) jednego aminokwasu i grupą karboksylowa (COOH) drugiego aminokwasu. Powstające długie łańcuchy polipeptydowe składają się z reszt licznych aminokwasów powiązanych w łańcuchy wiązaniami peptydowymi; łańcuchy te, podobnie jak i łańcuchy DNA, są polarne. W łańcuchu polipeptydowym jeden aminokwas końcowy będzie zawierał wolną grupę aminową, a ostatni aminokwas na drugim końcu łańcucha będzie miał wolną grupę karboksylową. Łańcuchy polipeptydowe mogą mieć różną długość i mogą składać się z różnej liczby powiązanych w łańcuch reszt aminokwasów. Nie ma żadnych ograniczeń co do rodzaju aminokwasów, które mogą ze sobą sąsiadować w łańcuchach białkowych. W zależności od tego jakie aminokwasy, w jakiej sekwencji i w jakiej ilości występują w łańcuchach białkowych, wyróżniamy tysiące różnych białek o odrębnych właściwościach biologicznych. O odrębności białek decyduje przede wszystkim sekwencja ułożenia różnych aminokwasów w łańcuchach polipeptydowych. Polipeptydy nie występują w komórkach w postaci nitkowatych łańcuchów, ale zwykle są poskręcane i pozwijane w złożone bryły, mniej lub więcej kuliste. W jednym białku może występować kilka różnych łańcuchów polipeptydowych, które mogą nawet przyłączać związki niebiałkowe. Badanie właściwości białek jest już dziedziną biochemii. W komórkach, aby zostały
zsyntetyzowane łańcuchy polipeptydowe i białka, muszą być najpierw wytworzone (bądź niekiedy dostarczone z zewnątrz) poszczególne jednostki budulcowe, wolne aminokwasy 20 rodzajów.Wracając do porównania z pismem - komórka, podobnie jak zecer; musi składać pojedyncze czcionki, czyli aminokwasy w długie złożone wyrazy, czyli łańcuchy polipeptydowe, zgodnie z odpowiednią instrukcją, niejako maszynopisem.Taką instrukcją, konieczną do składania pojedynczych aminokwasów w łańcuchy polipeptydowe, są w komórkach właśnie łańcuchy polinukleotydowe DNA, a kolejność ułożenia nukleotydów w odpowiadających genom odcinkach DNA stanowi dla komórki informację o syntezie określonego białka. W komórce może być syntetyzowanych tyle odrębnych łańcuchów polipeptydowych białek, ile w DNA jest odrębnych genów kodujących te białka. Powstaje pytanie: jak za pomocą tylko czterech różnych zasad występujacych w DNA można zapisać informację o syntezie łańcuchów białkowych, złożonych przecież z 20 rodzajów aminokwasów? Najprostszym założeniem byłoby, że kolejne nukleotydy w DNA wyznaczają pozycje kolejnych aminokwasów w łańcuchu polipeptydowym. Ale wtedy DNA mogłoby wyznaczać pozycję tylko czterech, a nie dwudziestu różnych aminokwasów. Gdyby kolejne pary nukleotydów w DNA wyznaczały położenie aminokwasu w polipeptydzie, to-jak łatwo obliczyć - różnych dwójek spośród czterech rodzajów nukleotydów mogłoby być 4 do potęgi 2, czyli 16, a więc mniej niż aminokwasów występujących w białkach. Dopiero gdyby różne trójki nukleotydów łańcucha DNA wyznaczały położenie aminokwasów w łańcuchach białkowych, to liczba kombinacji trójek nukleotydów w DNA,która wynosi 4 do potęgi 3, czyli 64, byłaby w pełni wystarczająca do zakodowania wszystkich 20 rodzajów aminokwasów występujacych w białkach. Już z tych prostych teoretycznych rozważań wynika, że zapis genetyczny w DNA o syntezie łańcuchów białkowych powinien być raczej trójkowy. Oznaczałoby to, że kolejne trójki nukleotydów w genie wyznaczają pozycję kolejnych aminokwasów w białku podczas syntezy łańcucha polipeptydowego. W wyniku wielu bardzo ciekawych i pomysłowych doświadczeń, których ze względu na brak miejsca nie możemy tu przedstawić szczegółowo, wykazano, że rzeczywiście trzy kolejne nukleotydy w DNA wyznaczają pozycję jednego aminokwasu w łańcuchu polipeptydowym białek. Takie trójki nukleotydów
nazywamykodonami. Liczba różnych kodonów wynosi 64, czyli znacznie więcej niż liczba występujacych w białkach aminokwasów, których jest tylko 20. Powstaje więc pytanie, w jaki sposób są
wykorzystywane te nadliczbowe kodony? Przede wszystkim trzeba było najpierw określić, jaki kodon - czy ewentualnie kilka różnych kodonów - odpowiadają danemu aminokwasowi. Przeprowadzono wiele doświadczeń, celem rozszyfrowania kodu genetycznego, ale krokiem milowym w tej dziedzinie były wyniki prac G. Khorany, biochemika hinduskiego pracującego w USA. Syntetyzował on częściowo
chemicznie, a częściowo przy użyciu enzymu polimerazy DNA, cząsteczki DNA o znanej sekwencji nukleotydów, które następnie posłużyły mu do wykazania, jakie kodony w DNA odpowiadaja pojedynczym aminokwasom. Powiedzmy, że sztucznie zsyntetyzowany DNA składał się tylko z dwóch rodzajów nukleotydów - C i T, które ułożone były na przemian wzdłuż łańcucha nukleotydowego,
CTCTCTCTCTCT. W takim polinukleotydzie, jak się łatwo przekonać, występowały tylko dwa rodzaje kodonów - CTC I TCT. Tego rodzaju DNA zawierał więc informację o syntezie polipeptydu złożonego tylko z dwóch aminokwasów, ułożonych na przemian, wzdłuż łańcucha białkowego - oczywiście, jeśli te dwa kodony oznaczały dwa różne aminokwasy. Okazało się, że rzeczywiście tego rodzaju DNA może powodować syntezę polipeptydu złożonego tylko z dwóch aminokwasów naprzemianległych. W ten sposób, w stosunkowo krótkim czasie, Khorana rozszyfrował kod genetyczny. Dziś posiadamy jakby słownik kodonów, który zawiera zestaw kodonów i odpowiadających im aminokwasów. Wykazano też, że dla wielu aminokwasów istnieje po cztery, a nawet po sześć odrębnych kodonów synonimowych, a niektóre aminokwasy są wyznaczane tylko przez jeden kodon. W ten sposób spośród 64 istniejacych kodonów 61 wyznacza 20 różnych aminokwasów. Trzy kodony nie wyznaczają żadnego aminokwasu. Są to tak zwane kodony nonsensowne. W DNA występuja one zwykle na końcu zapisu o syntezie łańcucha polipeptydowego i służą jako sygnały zakończenia jego syntezy. Trzeba pamiętać, że DNA jest to jeden ciągły łańcuch połączonych ze sobą nukleotydów, który może być nawet kolisty, jak u bakterii, i wobec tego nie będzie miał żadnego początku i końca. W łańcuchu DNA poszczególne kodony nie są w żaden szczególny sposób wyodrębnione, natomiast w komórkach musi istnieć specjalny aparat do odczytywania zapisu zawartego w kolejnych trójkach nukleotydów począwszy od jakiegoś ustalonego miejsca zwanego miejscem startu. Te rozważania prowadzą nas bezpośrednio do następnego istotnego problemu, w jaki sposób w komórce jest odczytywana i realizowana informacja genetyczna zawarta w DNA?
5.5. Mechanizm działania genu
Zastanówmy się teraz nad przepływem informacji genetycznej, skoro wiemy, że kwas deoksyrybonukleinowy mieszczący się w chromosomach znajduje się w jądrze komórkowym, a synteza łańcuchów
polipeptydowych białek odbywa się w cytoplazmie. Wynika z tego, że choć DNA zawiera informację o syntezie polipeptydów, to jednak ich synteza nie odbywa się bezpośrednio na matrycy DNA.W cytoplazmie występują licznie bardzo drobne twory zwane rybosomami, które są głównymi ośrodkami syntezy białek w komórce. Badania nad biosyntezą białek w komórkach różnych organizmów wykazały, że w procesie tym bardzo istotną rolę odgrywa inny kwas nukleinowy, zwany kwasem rybonukleinowym, który oznaczany jest skrótem RNA.
5.5.1.Kwas rybonukleinowy, czyli RNA
RNA odgrywa istotną rolę w odczytywaniu informacji genetycznej zawartej w DNA. Jego struktura jest bardzo zbliżona do DNA. Podstawowe różnice między DNA i RNA sa następujące: zamiast cukru deoksyrybozy w nukleotydach RNA występuje, również pięciowęglowy, cukier-ryboza. RNA jest z reguły pojedynczym łańcuchem
polinukleotydowym złożonym z czterech rodzajów nukleotydów, z tym że w RNA zamiast pirymidyny-tyminy występuje pirymidyna-uracyl. Łańcuchy polinukleotydowe RNA nie tworzą podwójnego heliksu i nie replikują się w sposób analogiczny jak DNA; są syntetyzowane w komórkach na matrycy DNA. Cząsteczki RNA są więc syntetyzowane w jądrze, a następnie przenoszone do cytoplazmy komórkowej. Synteza RNA, podobnie jak synteza DNA, jest procesem enzymatycznym, w którym podstawową rolę odgrywa specyficzny enzym - polimeraza RNA, syntetyzujaca łańcuch RNA na matrycy pojedynczego łańcucha DNA. Podobnie jak polimeraza DNA, polimeraza RNA przyłącza się do pojedynczego łańcucha DNA, który stanowi matrycę w syntezie RNA, i następnie łączy pojedyncze nukleotydy w łańcuch polinukleotydowy RNA, przy czym dobór poszczególnych nukleotydów w nowo
syntetyzowanym łańcuchu RNA zależy od kolejności występowania odpowiednich.nukleotydów w łańcuchu (matrycowym) DNA. Na przykład naprzeciw nukleotydu zawierającego zasadę G w łańcuchu DNA polimeraza RNA wbudowuje w łańcuch RNA nukleotyd z zasadą C i odwrotnie, natomiast naprzeciw nukleotydu z zasada T w DNA wbudowuje w syntetyzowany łańcuch RNA nukleotyd z zasadą A, a więc tak samo jak w syntezie łańcucha DNA. Jedynie wówczas, gdy w matrycy DNA znajduje się nukleotyd z adeniną (A), to polimeraza RNA przyłącza nukleotyd z uracylem (U). Tak więc powstający w wyniku działalności polimerazy RNA łańcuch RNA jest komplemeritarny w stosunku do łańcucha DNA, który służył jako matryca w syntezie RNA. Jedyna różnicą jest to, że w RNA zamiast tyminy występuje uracyl. Jak już wspominaliśmy, syntetyzowany na matrycy DNA łańcuch RNA nie tworzy podwójnego heliksu z DNA, ale zostaje odłączony od niego i tworzy odrębną jednołańcuchową cząsteczkę RNA. W procesie replikacji DNA u bakterii polimeraza DNA "pracując" wzdłuż catej cząsteczki DNA, wytwarza dwa potomne heliksy DNA. Natomiast polimeraza RNA wytwarza cząsteczki RNA na matrycy różnych, stosunkowo niewielkich odcinków DNA i działa w okresie, w którym DNA się nie replikuje. W cząsteczce DNA bakterii jest wiele miejsc, zwanych promotorami, w których polimeraza RNA może przyłączać się i syntetyzować cz#steczki RNA. Sygnałami zapoczątkowującymi i kończącymi działanie polimerazy RNA są występujące w DNA krótkie, określone sekwencje nukleotydów, rozpoznawane przez polimerazę RNA. Podobnie jak w procesie replikacji DNA polimeraza RNA rozpoczyna swe działanie wówczas, gdy lokalnie, w miejscu promotorowym, nastąpi rozplecenie obu nici podwójnego heliksu DNA i wtedy polimeraza RNA może przyłączyć się do jednoniciowego DNA. W podwójnym heliksie DNA jeden z łańcuchów zawiera właściwą informację genetyczną, która musi być odczytywana w odpowiednim kierunku. Drugi komplementarny łańcuch DNA jest, jak już mówiliśmy, jakby negatywem tej informacji, który dopiero po następnej replikacji wytworzy komplementarny łańcuch z informacją
dziedziczną. Polimeraza RNA, wnikając między dwa rozkręcone lokalnie łańcuchy DNA, syntetyzuje RNA tylko na jednym z tych dwóch łańcuchów. Polimeraza RNA musi mieć więc zdolność wyboru właściwego łańcucha, na którym będzie syntetyzowata cząsteczki RNA. Proces syntezy RNA na matrycy DNA nazywamy transkrypcją. W procesie transkrypcji sekwencja nukleotydów w DNA zostaje jakby przepisana na sekwencje nukleotydów w RNA. Wyobraźmy sobie, że skład nukleotydowy jakiegoś odcinka DNA, w którym zaczyna się proces transkrypcji, jest następujący: DNA 3' GGTATCGATTGG 5' 5' CCATAGCTAACC 3' RNA 3' GGUAUCGAUUGG 5' kierunek
transkrypcji(obejrzyj na stronie 386). Jeśli polimeraza RNA będzie używać jako matrycy do syntezy RNA łańcuch DNA zapisany na dole, wytworzy kopię zapisu łańcucha górnego z tym, że zamiast tyminy będzie występował uracyl. Tak więc w syntezie RNA, czyli w procesie transkrypcji, sekwencja zasad w DNA zostaje przepisana na sekwencję zasad w RNA. Polimeraza RNA dokonuje wyboru właściwego matrycowego łańcucha DNA rozpoznając w nim ugrupowania reszt pirymidynowych, a nowo powstający łańcuch RNA na końcu 5' zawiera zawsze nukleotyd z zasadą purynową. Powstające w jądrze, w wyniku transkrypcji, cząsteczki RNA są następnie transportowane do cytoplazmy. Wyróżniamy 3 podstawowe rodzaje cząsteczek RNA, z których każdy odgrywa bardzo istotną, odrębna rolę w procesie syntezy biatek. 1. Rybosomowy RNA (skrót rRNA/. W rybosomach komórek występują trzy albo cztery rodzaje cząsteczek rybosomowego RNA; różnią się one m.in. długością w zakresie około 100-4000 nukleotydów. Rybosomy pełnią rolę ośrodków syntezy białek w komórkach. Na przykład w rybosomach bakterii Escherichia coli występują trzy rodzaje cząsteczek rRNA, o różnej długości, powiązane z 55 różnymi biatkami. Tworzą one razem bardzo złożony kompleksowy twór, w którym zarówno cząsteczki RNA, jak i białka zajmują ściśle określone położenie i tworzą złożoną strukturę rybosomu, konieczną do jego funkcji w syntezie łańcuchów polipeptydowych. W cytoplazmie komórek występują dziesiątki tysięcy rybosomów, wszystkie o identycznym składzie i budowie. Cząsteczki rRNA powstają w wyniku transkrypcji odpowiednich genów rybosomowego RNA, które znajdują się w chromosomach. Ze względu na duże zapotrzebowanie w komórce na cząsteczki rRNA, w jądrach,zwłaszcza wyższych organizmów, występuje czasem po kilkaset genów dla każdego rodzaju rRNA, dzięki czemu komórka może je masowo produkować.
2. Transportujący RNA (skrót tRNA). Są to bardzo małe cząsteczki RNA złożone zaledwie z 70-80 nukleotydów. Mają bardzo skomplikowaną i ciekawą budowę. Krótki łańcuch tRNA jest w kilku miejscach zwinięty wokół siebie tak, że pewne jego odcinki tworzą podwójny heliks oddzielony od siebie jednołańcuchowymi pętlami. Cząsteczka tRNA w rzucie poziomym ma kształt podobny do listka koniczyny. W rzeczywistości cząsteczka tRNA tworzy bryłę trójwymiarową o bardzo ztożonym kształcie, nie w pełni jeszcze poznanym. W komórkach występuje zwykle kilkadziesiąt rodzajów tRNA różniących się sekwencją nukleotydową. Ta znaczna różnorodność cząsteczek tRNA wynika z ich niezwykle ważnej roli w procesie syntezy łańcuchów białkowych. W komórkach przy udziale specyficznych enzymów do cząsteczek tRNA przyczepiane są aminokwasy. Oczywiście dla każdego rodzaju aminokwasu musi istnieć specjalny rodzaj cząsteczki tRNA. Odpowiednie białka enzymatyczne, rozpoznając jednocześnie z jednej strony aminokwas, a z drugiej strony odpowiedni rodzaj tRNA, łączą je ze sobą. Dla jednego rodzaju aminokwasu może być kilka odrębnych rodzajów tRNA, z którymi może on być połączony. Stąd duża ilość różnych rodzajów tRNA występujących w komórkach. Cząsteczki tRNA połączone z aminokwasami spełniają rolę transporterów
doprowadzających aminokwasy do rybosomów, w których syntetyzowane są łańcuchy polipeptydowe białek. Oczywiście, w DNA chromosomów muszą istnieć liczne odrębne geny kodujące tRNA, na których polimeraza RNA w wyniku transkrypcji, syntetyzuje cząsteczki tRNA przenoszone następnie do cytoplazmy. Na przykładzie syntezy cząsteczek rRNA i tRNA widzimy, że nie wszystkie geny znajdujące się w DNA służą do syntezy białek. Geny kodujące rRNA i tRNA znajdujące się w chromosomach niosą informację jedynie o zdolności do syntezy przez organizm tych rodzajów RNA.
3. Matrycowy, czyli informacyjny RNA (skrót mRNA). Cząsteczki matrycowego RNA, czyli mRNA,powstają w wyniku transkrypcji genów, które zawierają informację o syntezie różnych białek w komórkach. Sekwencja nukleotydów w kodującym polipeptyd białkowy genie który w odróżnieniu od genów kodujacych rRNA i tRNA nazywany jest genem struktury, zostaje przepisana, czyli transkrybowana na sekwencje nukleotydów w cząsteczce mRNA. Tak utworzone w jądrze komórkowym cząsteczki mRNA są następnie przenoszone do cytoplazmy komórki. W cytoplazmie cząsteczki mRNA są rozpoznawane przez rybosomy, które przyłączają się do określonego końca cząsteczki mRNA. W ten sposób do rybosomu, który ma przeprowadzać syntezę polipeptydu, zostaje dołączona informacja, w postaci sekwencji nukleotydów w mRNA, o kolejności łączenia aminokwsów w łańcuchu polipeptydowym. Gdy połączone z aminokwasami tRNA zaczną dostarczać te aminokwasy do rybosomu, może się już rozpocząć właściwy proces syntezy białek, zwany translacją. Jak widzimy, proces syntezy białek jest bardzo złożony i składa się z dwóch zasadniczych etapów. Najpierw informacja genetyczna, zapisana w postaci sekwencji nukleotydów genu kodującego białko, jest przepisana, czyli transkrybowana na cząsteczkę m RNA. Następnie, po przeniesieniu jej do cytoplazmy i połączeniu z rybosomami, przy udziale tRNA związanego z
aminokwasami, informacja ta zostaje przetłumaczona na sekwencję aminokwasów w syntetyzowanym łańcuchu polipeptydowym. Tak więc drugim etapem jest proces translacji, czyli przetłumaczenia informacji w postaci sekwencji nukleotydów w mRNA na sekwencję aminokwasów w łańcuchu polipeptydowym. Można by zrobić następujące porównanie. W jądrze komórkowym znajduje się centralny ośrodek informacji genetycznej w postaci DNA. Jest to jakby centralna biblioteka zawierająca pojedyncze egzemplarze z informacją genetyczną (genami) o syntezie różnych białek. Przy podziale komórek informacja ta zostaje podwojona i przekazana dwóm potomnym komórkom. Z owej biblioteki do "czytania" tych informacji nie są wypożyczane bezpośrednio wspomniane egzemplarze, lecz przekazywane są do cytoplazmy niejako ich" robocze" kopie, w postaci cząsteczek mRNA. Trwałość cząsteczek mRNA jest ograniczona, ale mogą one być produkowane w dużych ilościach, różnych dla różnych genów, w zależności od zapotrzebowania komórki.
5.5.2.
Proces translacji
W procesie translacji biorą udział następujące podstawowe składniki:
1. rybosomy, które są jakby czytnikiem odczytującym na matrycy mRNA kolejne kodony (trójki nukleotydów) odpowiadające kolejnym aminokwasom syntetyzowanego łańcucha polipeptydowego białka; 2. mRNA, jako matryca z zapisem instrukcji o kolejności
wbudowywanych aminokwasów w nowo syntetyzowany łańcuch
polipeptydowy;
3. cząsteczki tRNA przenoszące aminokwasy.
Poza tym w procesie translacji bierze udział wiele białek umożliwiających przebieg poszczególnych etapów translacji, o których bliżej mówić nie będziemy. Rybosom rozpoznaje na końcu 5' cząsteczki mRNA określoną sekwencję nukleotydów i łączy się z mRNA. Aby translacja mogła się rozpocząć, rybosom musi rozpoznać sygnał rozpoczęcia tego procesu. Sygnałem tym jest trójka nukleotydów, czyli kodon oznaczający aminokwas metioninę. Metioninę wyznacza tylko jeden kodon AUG. Trzeba tu zwrócić uwagę, iż w podwójnym heliksie DNA będzie się znajdowała sekwencja ATG(licznik) do TAC (mianownik), która dopiero po transkrypcji wytworzy w mRNA kodon AUG. Zwykle kodony dla aminokwasów oznaczamy w mRNA, a więc już po transkrypcji DNA. Jest to zrozumiałe, skoro proces translacji odbywa się na matrycach mRNA. Rybosomy rozpoznają więc kodon AUG i ustawiają się w ten sposób w stosunku do cząsteczki mRNA, aby pierwszym aminokwasem włączanym przy syntezie polipeptydu była metionina. Jest to bardzo ważny etap w procesie translacji. Trzeba pamiętać, że w mRNA, podobnie jak i w DNA, istnieje jedynie ciągły łańcuch nukleotydów. Aby od określonego miejsca poprawnie można było odczytywać kolejne trójki nukleotydów, musi istnieć sygnał, od którego miejsca będą kolejne trójki odczytywane. W ten sposób zostaje do mRNA przyłożona jakby ramka odczytu, od której w kierunku końca 3' będą wyróżniane następne kolejne kodony. Gdy rybosom rozpoznał już trójkę AUG, zajmuje wobec niej właściwą pozycję, która umożliwia rozpoczęcie syntezy polipeptydu. Zatem pierwszym krokiem w syntezie polipeptydu będzie doprowadzenie do rybosomu tRNA połączonego z metioniną. Pamiętajmy, że aminokwas ma zupełnie inną budowę chemiczną niż kwasy nukleinowe i nie potrafi rozpoznać sekwencji nukleotydów w DNA czy mRNA. Do rozpoznania kodonu w mRNA służy cząsteczka tRNA związana z aminokwasem. W cząsteczce tRNA, specyficznej dla danego aminokwasu, w jednej z jego jednołańcuchowych pętli występuje trójka nukleotydów, która jest komplementarna do kodonu w mRNA. Na drugim wolnym końcu cząsteczki tRNA jest przyłączony aminokwas. W przypadku tRNA wiążącego się z metioniną występuje trójka nukleotydów UAC. Taka trójka nukleotydów w tRNA nazywana jest antykodonem. Tak więc nie sama metionina rozpoznaje kodon inicjujący translację, ale jest on rozpoznawany przez antykodon cząsteczki tRNA niosącej metioninę. Po rozpoznaniu kodonu przez antykodon cząsteczka tRNA niosąca metioninę zostaje przyłączona do rybosomu i mRNA. W ten sposób zostanie przyłączony za pośrednictwem tRNA pierwszy aminokwas polipeptydu. Nastąpiło zapoczątkowanie, czyli inicjacja procesu translacji. Z kolei rybosom w stosunku do mRNA przesuwa się o następne trzy nukleotydy i w odpowiednim miejscu rybosomu, jakby w rodzaju kieszeni; pojawia się drugi kodon wyznaczający odpowiedni aminokwas. Kodon ten zostanie rozpoznany przez tRNA z odpowiednim antykodonem, niosący następny aminokwas. Teraz między metioniną a drugim aminokwasem przyłączonym do tRNA zajdzie reakcja chemiczna powodująca powstanie wiązania peptydowego między tymi dwoma aminokwasami. W wyniku tej reakcji cząsteczka tRNA transportująca nietioninę (inicjująca) została uwolniona od metioniny i odtącza się od rybosomu, a aminokwasy połaczone ze sobą wiazaniami peptydowymi, zostają przyłączone do cząsteczki tRNA, która transportowata drugi aminokwas. Teraz rybosom przesuwa się o następne trzy nukleotydy i zachodzą znowu te same reakcje. Wraz z przesuwaniem się rybosomu o kolejne trzy nukleotydy będzie na nim powstawał coraz dłuższy łańcuch polipeptydowy złożony z kolejno dołaczanych aminokwasów. Jednocześnie zwolnione czasteczki tRNA będa wracały do cytoplazmy, gdzie ponownie będą się mogły łaczyć z aminokwasami. Jeśli więc w genie kodującym białko było na przykład 900 nukleotydów, co odpowiada 300 kodonom, to w wyniku procesu translacji powstanie na rybosomie polipeptyd złożony z 300 aminokwasów połączonych wiązaniami peptydowymi. Po trójce nukleotydów kodującej ostatni aminokwas łańcucha polipeptydowego następuje zakończenie translacji. Sygnałem do zakończenia translacji są trzy kodony nonsensowne mRNA (UAA, UAG i UGA), które występują na końcu zapisu o syntezie polipeptydu. Rybosomy po dojściu do kodonów nonsensownych oddzielaja się od mRNA, a jednocześnie nowo zsyntetyzowany łańcuch polipeptydowy odłącza się od rybosomu. Translacja jest zakończona.Łańcuch mRNA może stużyć do syntezy licznych fańcuchów polipeptydowych. W miarę jak do końca 5' na cząsteczkę mRNA wchodzi rybosom i przesuwa się w kierunku końca 3', z czasteczką mRNA łączą się następne rybosomy. Otrzymano fotografię cząsteczek bakteryjnego mRNA, na którym kilkadziesiąt rybosomów syntetyzuje polipeptydy. Im bliżej końca 3' cząsteczki mRNA znajduje się rybosom, tym dłuższy polipeptyd jest z nim powiązany. Cząsteczki mRNA są narażone na zniszczenie przez różne enzymy występujące w cytoplazmie. Obliczono, że u bakterii okres trwania jednej cząsteczki mRNA wynosi zaledwie parę minut. A więc jeśli komórka ma produkownać stale pewien typ białka, to stale musi zachodzić transkrypcja i produkcja nowych cząsteczek mRNA. Jeśli z jakichś względów produkcja cząsteczek mRNA kodującego określone białko ustanie, to po paru minutach ustanie też i produkcja samego białka. Regulując transkrypcję różnych genów komórka może regulować także syntezę różnych białek. W ten właśnie sposób komórka wykorzystuje wybiórczo informacje o możliwości syntezy tysięcy różnych białek; produkując tylko te białka, które w danym momencie są dla niej konieczne.
5.6. Genetyczna kontrola aktywności genów
W komórce bakterii występuje około 2-3 tysięcy genów kodujących różne białka. Wiele z tych genów zostało już opisanych, a także poznane zostały ich produkty białkowe. Istnieje również wiele genów, które nie zostały jeszcze zidentyfikowane. Najlepiej poznana pod względem genetyki bakteria jest Escherichia coli. Można ją hodować na prostej pożywce minimalnej zawierającej komplet soli mineralnych i na przykład glukozę jako źródło węgla. Na takiej pożywce komórki bakterii muszą oczywiście produkować wszystkie te enzymy, które są konieczne do pobierania glukozy oraz do wszystkich etapów jej przeróbki w celu uzyskania metabolitów wykorzystywanych do syntezy innych związków organicznych występujących w komórkach. Możemy również hodować komórki bakterii na pożywce, gdzie źródłem węgla będzie jakiś inny związek, na przykład laktoza. Laktoza to dwucukrowiec złożony z jednej cząsteczki glukozy i jednej cząsteczki galaktozy. Na takiej pożywce komórka będzie musiała produkować enzym pobierajacy do wnętrza komórki laktozę - tak zwana permeazę beta-galaktozydową. Po wprowadzeniu cząsteczek laktozy do wnętrza komórki, muszą one zostać rozbite na oddzielne cząsteczki glukozy i galaktozy. Ten proces jest dokonywany przy pomocy specyficznego enzymu, zwanego beta-galaktozydazą. Istnieje jeszcze trzeci enzym, konieczny do wykorzystania laktozy przez komórkę, zwany acetylazą beta-galaktozydową. Enzymy te są zupełnie dla komórki zbyteczne, jeśli znajduje się ona na pożywce z
glukozą.Oczywiście dla wszystkich enzymów koniecznych do
wykorzystania glukozy i laktozy istnieja w chromosomie bakterii warunkujące je enzymy. Gdy bakterie hodujemy na pożywce z glukozą, to w komórkach nie wykrywa się trzech enzymów niezbędnych do wykorzystania laktozy. Gdy komórki hodowane na glukozie przeniesie się na pożywkę z laktozą, wkrótce pojawią się w komórkach, prawie jednocześnie, owe trzy enzymy. Badania genetyczne wykazały, że geny kodujące trzy enzymy laktozowe znajdują się w chromosomie bakterii w jednym miejscu - obok siebie. Mutacje w którymkolwiek z tych trzech genów powodują, że jeden z trzech enzymów koniecznych do pobierania i wykorzystania laktozy jest nieaktywny i mutant jest niezdolny do wzrostu na pożywce z laktozą. Dalsze badania genetyczne, wykazały, że wszystkie te trzy geny, leżące obok siebie, w procesie transkrypcji są przepisywane na jedną długą czasteczkę mRNA. Cząsteczka ta zawiera jednocześnie informację o syntezie trzech odrębnych białek. W komórkach hodowanych na glukozie transkrypcja genów laktozowych w ogóle nie zachodzi i w związku z tym nie powstaje mRNA z informacją o syntezie trzech enzymów laktozowych. Wobec tego w komórkach bakterii hodowanych na glukozie nie mogą być wytwarzane enzymy związane z pobieraniem i wykorzystywaniem laktozy. Jednak po przeniesieniu komórek na pożywkę z laktozą transkrypcja genów laktozowych zostaje
natychmiast uruchomiona. Dzieje się tak dlatego, że dyfundująca z pożywki do komórki niewielka ilość laktozy indukuje syntezę permeazy beta-galaktozydowej, która rozpoczyna wówczas aktywny transport laktozy z pożywki do wnętrza komórki. Wniknięcie laktozy do komórki indukuje jednocześnie syntezę dwóch pozostałych enzymów laktozowych-beta-galaktozydazy i acetylazy beta-galaktozydowej. Tak więc komórka wykazuje bardzo istotną właściwość oszczędnego gospodarowania, produkując trzy enzymy laktozowe tylko wtedy, gdy w komórkach znajduje się laktoza. Właściwość ta wynika ze zdolności komórki do regulowania procesu transkrypcji w zależności od aktualnych potrzeb komórki. Ponieważ wszystkie trzy geny laktozowe są umieszczone w chromosomie obok siebie i są transkrybowane na jedną cząsteczkę mRNA, to wobec tego włączenie lub wyłączenie transkrypcji w tym rejonie chromosomu włącza lub wyłącza
jednocześnie syntezę wszystkich enzymów związanych z pobieraniem i wykorzystaniem laktozy.Powstaje teraz pytanie, co dla komórki jest sygnałem, który wskazuje włączenie lub wyłączenie transkrypcji oraz jaki jest mechanizm regulacji procesu transkrypcji? Na pierwsze pytanie odpowiedź była prosta i nie budząca wątpliwości.
Transkrypcje genów laktozowych w komórkach bakteryjnych uruchamia sama laktoza.Jak wiemy, transkrypcję, czyli syntezę mRNA na matrycy DNA, przeprowadza enzym - polimeraza RNA. Polimeraza RNA rozpoczyna syntezę mRNA w określonych miejscach chromosomu, zwanych
promotorami.Polimeraza RNA rozpoznaje promotory jako pewne określone sekwencje nukleotydów w DNA, do których może się przyłączyć. W miejscach promotorowych polimeraza RNA powoduje lokalne rozkręcenie obu łańcuchów podwójnego heliksu DNA. Polimeraza wnika między dwa rozkręcone łańcuchy DNA i rozpoczyna syntezę mRNA na jednym z dwóch łańcuchów DNA. Zwykle promotor znajduje się w odległości około kilkudziesięciu nukleotydów od początku genu struktury, zawierającego informację o syntezie łańcucha polipeptydowego. Jeśli rozpatrywać będziemy nie podwójny heliks DNA, lecz jedynie ten pojedynczy łańcuch DNA, który jest transkrybowany przez polimerazę RNA, to promotor będzie się znajdował o kilkadziesiąt nukleotydów przed końcem 5' sekwencji nukleotydów kodującej białko w genie struktury. W przypadku genów laktozowych Escherichia coli polimeraza RNA startująca z jednego promotora transkrybuje kolejno trzy geny struktury - gen z dla beta-galaktozydazy, gen y dla permeazy beta-galaktozydowej i gen a dla acetylazy beta-galaktozydowej.Dalsze badania wykazały, że zdolność komórek bakteryjnych do regulowania syntezy enzymów laktozowych jest właściwością dziedziczną. Otrzymano mutacje w genie, który znajduje się w chromosomie bakteryjnym w miejscu jeszcze bardziej odległym, niż promotor,od trzech genów kodujących enzymy laktozowe. Gen ten, który możemy nazwać genem regulatorowym, koduje białko nazwane represorem. Gdy w genie tym zajdzie mutacja, która spowoduje, że represor straci swoje właściwości i stanie się nieaktywny, to powstałe mutanty bakteryjne utracą zdolność do regulowania produkcji enzymów laktozowych. Komórki takiego mutanta będą produkowały wszystkie trzy enzymy laktozowe zarówno na pożywce z laktozą, jak i bez laktozy. Badania nad białkiem represorowym wykazały, iż białko to ma zdolność rozpoznawania w DNA określonej sekwencji DNA, z którą się dość trwale wiąże. Jest to stosunkowo niedługa sekwencja złożona z 21 par nukleotydów. Taka sekwencja znajduje się w DNA na odcinku między promotorem a genami enzymów laktozowych. Obszar ten został nazwany operatorem. Białko represorowe wiążąc się z operatorem stanowi przeszkodę blokującą możliwość przesuwania się polimerazy RNA, która przy transkrypcji i syntezie mRNA przesuwa się od promotora w kierunku genów laktozowych. Spotykając na swej drodze przyłączony do DNA represor zatrzymuje się ona, w wyniku czego nie dochodzi do transkrypcji i syntezy mRNA genów laktozowych. Taka sytuacja występuje w komórkach, które hodowane są na pożywce bez laktozy. Dopóki cząsteczki laktozy nie wnikną do komórek, represor blokuje transkrypcję genów laktozowych.Po przeniesieniu komórek na pożywkę z laktozą i po wniknięciu pierwszych cząsteczek laktozy do komórek następuje odblokowanie syntezy mRNA genów laktozowych. Jak się okazało, białko represorowe ma bardzo ciekawe właściwości. Represor oprócz zdolności rozpoznawania w DNA sekwencji nukleotydowej operatora i łączenia się z nim, ma także zdolność rozpoznawania cząsteczek laktozy. Cząsteczki laktozy łączą się z cząsteczką białkową represora w innym, odrębnym obszarze niż obszar, który wiąże się z operatorem. Naskutek dołączenia cząsteczki laktozy do cząsteczki represora całe białko represorowe zmienia swoje ukształtowanie przestrzenne. W wyniku odkształcenia się cząsteczki represora, po połączeniu się jej z laktozą, traci ona powinowactwo do operatora i odłącza się od niego. Tak więc w komórkach bakterii hodowanych na pożywce bez laktozy represor jest powiązany z operatorem, gdy zaś komórki zostaną przeniesione na pożywkę z laktozą, to pierwsze wnikające do komórek cząsteczki laktozy połączą się z represorem przyłączonym do operatora. Wtedy represor powiązany z laktozą odłączy się od operatora. Gdy zaś represor zostanie odłączony, to wtedy zniknie przeszkoda dla polimerazy RNA, która powiązana z promotorem będzie teraz mogła swobodnie przesuwać się i transkrybować geny laktozowe. W ten sposób sama laktoza stanowi jakby sygnał uruchamiający syntezę najpierw mRNA, a potem syntezę enzymów koniecznych do przetworzenia jej w
komórkach.Badacze francuscy J. Monod i F. Jacob z Instytutu Pasteura w Paryżu, którzy w latach sześćdziesiątych opisali te wszystkie zjawiska (za co otrzymali Nagrodę Nobla) nazwali operonem taki zespół genów, który podlega wspólnej regulacji i może być wspólnie włączany bądź wyłączany w komórce. W skład operonu wchodzą geny struktury, kodujace białka, oraz poprzedzające geny struktury obszary DNA promotora i operatora rozpoznawane przez białka polimerazy RNA oraz represora. Gen represora może się znajdować daleko od operonu, nie musi być w jego sąsiedztwie. Zakodowane przez gen regulatorowy białko represorowe jest wytwarzane w cytoplazmie komórek. Gen represora może ulegać różnym mutacjom. Jeśli białko represorowe zostaje zmienione tak, że nie rozpoznaje operatora, to oczywiście, jak to już mówiliśmy, operon laktozowy jest stale odblokowany i synteza enzymów zakodowanych w genach operonu odbywa się niezależnie od tego, czy laktoza znajduje się w pożywce. Można także w genie represora otrzymać taką mutację, w wyniku której białko represorowe rozpoznaje normalne sekwencje nukleotydowe operatora, ale traci zdolność do wiązania się z laktozą. Po prostu ten obszar białka represorowego, który łączy się z operatorem, pozostaje nie zmieniony, zmienia się natomiast obszar, którym represor wiaże się z cząsteczką laktozy. Wtedy wnikające do komórki cząsteczki laktozy nie wiążą się z białkiem represorowym i nie powodują odłączenia się represora od operatora. W takim przypadku enzymy laktozowe nie będą syntetyzowane i taki mutant będzie niezdolny do wzrostu na pożywce z laktozą. Laktoza przestanie być dla tych mutantów dostępnym źródłem węgla w pożywce.Przy okazji omawiania badań nad operonem poznajemy zupełnie nową rolę DNA w procesach życiowych zachodzących w komórkach. Dotychczas mówiliśmy o genach, które kodują różne białka i których sekwencja nukleotydów w DNA pośrednio określa sekwencję aminokwasów w kodowanych polipeptydach białek. Poznaliśmy także geny, których sekwencja nukleotydów w DNA po transkrypcji wyznacza sekwencje nukleotydów w rybosomowym RNA (rRNA) i transportującym RNA (tRNA). Sekwencje nukleotydowe promotora czy operatora nie kodują żadnych białek ani określonych rodzajów RNA, a jednak odgrywają istotna rolę regulacyjną w komórce. Sekwencje te są rozpoznawane przez określone białka: promotor przez polimerazę RNA, a operatorprzez białko represorowe. Rozpoznawanie sekwencji nukleotydowych w DNA przez określone białka nie jest jeszcze w pełni poznane. Nie ulega wątpliwości, że do takiego rozpoznania konieczna jest określona sekwencja aminokwasów w białku i określona sekwencja nukleotydów w DNA. Zamiana jednego aminokwasu w białku represorowym powoduje jego niezdolność do łączenia się z operatorem, wskutek czego komórka traci zdolność włączania bądź wyłączania całego operonu
laktozowego. Ten sam efekt można otrzymać na skutek mutacji w odcinku operatorowym DNA. Wystarczy zamiana jednej pary nukleotydów spośród 21 par nukleotydów operatora,aby zupełnie nie zmieniony aktywny represor przestał rozpoznawać operator. W wyniku mutacji w operatorze represor nie będzie się z nim wiązał i wobec tego mutant również utraci zdolność regulowania aktywności operonu laktozowego. Podobnie jak mutant w genie represora, będzie on zawsze wytwarzał enzymy laktozowe bez względu na obecność laktozy w pożywce.Również wtedy, gdy na skutek mutacji w obszarze promotorowym polimeraza RNA nie będzie mogła połączyć się z DNA, to mimo iż cała reszta operonu laktozowego będzie nie zmieniona, operon będzie na stałe
wyłaczony.Gdy tylko operon zostanie połączony z jakimś promotorem, wtedy może zacząć się jego transkrypcja, a następnie synteza białek zakodowanych w genach operonu. Tak więc określone sekwencje w DNA moga nic nie kodować,ale spełniają bardzo istotną dla
funkcjonowania komórek rolę regulacyjną. We współdziałaniu z białkami mogą one uruchamiać lub wyłączać pojedyncze geny czy całe operony złożone z szeregu genów, w zależności od bodźców
chemicznych docierających do komórek z pożywek, na których one rosną.Przedstawiliśmy trochę szczegółowiej zasady regulacji operonu laktozowego. W rzeczywistości mechanizm regulacji tego operonu jest jeszcze bardziej złożony. Komórka ma zdolność uruchamiania operonu nie tylko po przeniesieniu jej na przykład z pożywki z glukozą na pożywkę z laktozą. Gdy komórki Escherichia coli znajdą się na pożywce, w której znajduje się jednocześnie glukoza i laktoza, to okazuje się, że wykorzystują one z pożywki najpierw glukozę. W tym okresie operon laktozowy jest wyłączony. Dopiero po wykorzystaniu z pożywki glukozy zostaje uruchomiony operon laktozowy i komórki zaczynają pobierać i wykorzystywać laktozę. Z punktu widzenia fizjologii komórki jest to bardzo korzystna wtaściwość. Glukoza jest znacznie lepszym pokarmem dla komórek bakteryjnych i rosna one znacznie szybciej na pożywce z glukozą niż na pożywce z laktoza. Nie wchodząc już w złożone zależności regulacyjne, jakie tu zachodzą, można stwierdzić, że glukoza reguluje aktywność operonu laktozowego. Mechanizm tej regulacji polega również na wiązaniu się innego regulacyjnego białka z odrębną sekwencją w DNA.Wykazano, że w komórkach bakterii występują bardzo liczne różne operony złożone z kilku, a nawet kilkunastugenów kodujących enzymy kolejnych etapów procesów metabolicznych zachodzących w komórkach. Mogą to być zarówno procesy kataboliczne, czyli rozkładania złożonych związków na proste, jak i procesy anaboliczne, czyli syntezy z prostych składników związków bardziej złożonych.Aby w komórkach mogła zachodzić synteza białek, muszą być najpierw wyprodukowane wolne aminokwasy. Dla każdego z 20 odrębnych aminokwasów istnieją w komórkach bakterii ciągi biosyntetyczne, w których cząsteczka aminokwasu jest syntetyzowana w wielu kolejnych etapach przez odpowiednie specyficzne enzymy. Dla każdego z tych enzymów muszą oczywiście istnieć w DNA odpowiednie geny. Geny enzymów biorących udział w syntezie jednego aminokwasu występują w komórkach bakteryjnych zwykle w jednym operonie.Na przykład synteza aminokwasu tryptofanu jest przeprowadzana w komórkach bakterii Escherichia coli w pięciu etapach katalizowanych przez pięć enzymów. Pięć genów warunkujacych te enzymy występują obok siebie w chromosomie bakterii i tworzy operon tryptofanowy. Wszystkie te geny są transkrybowane z jednego wspólnego promotora i polimeraza RNA syntezuje jedną długą cząsteczkę mRNA, zawierająca informację o syntezie pięciu odrębnych łańcuchów polipeptydowych. W zupełnie innym miejscu chromosomu znajduje się gen regulatorowy, który koduje syntezę represora tryptofanowego. Represor tryptofanowy rozpoznaje sekwencje nukleotydów w operatorze operonu
tryptofanowego. Operator występuje między promotorem a genami kodującymi enzymy katalizujące syntezę tryptofanu. Podobnie jak w operonie laktozowym, połączenie się represora z operatorem powoduje zahamowanie transkrypcji operonu tryptofanowego. W porównaniu z operonem laktozowym występuje tu jednak pewna istotna różnica. Gdy komórki hodujemy na przykład na glukozie, to operon tryptofanowy jest aktywny i tryptofan jest w komórkach syntezowany z prostych związków otrzymywanych z przetworzenia glukozy. Na pożywce z glukozą czy jakimkolwiek innym cukrem, represor tryptofanowy nie łączy się z operatorem; zachodzi normalna transkrypcja operonu tryptofanowego i produkowane są wszystkie enzymy konieczne do syntezy tryptofanu (pięć).Gdy jednak przeniesiemy bakterie na pożywkę, gdzie jedynym źródłem węgla (a także i azotu) będzie tryptofan,wtedy komórka pobiera gotowy tryptofan z pożywki i wykorzystuje go do syntezy białek i innych związków organicznych, na przykład innych aminokwasów. Zwykle najpierw cząsteczki tryptofanu podlegają w komórce rozpadowi na prostsze związki, z których następnie w odrębnych szeregach syntetycznych są budowane cząsteczki innych związków. W tej sytuacji, z punktu widzenia ogólnej ekonomii komórki, nie byłoby celowe syntetyzowanie cząsteczek tryptofanu, skoro pobierane są one z pożywki.
Rzeczywiście na pożywce z tryptofaneni, gdy komórki nie syntetyzują cząsteczek tryptofanu, a jedynie korzystają z jego gotowych cząsteczek pobieranych z pożywki, operon tryptofanowy zostaje wyłączony.Okazało się, że w tym wypadku represor operonu
tryptofanowego łączy się z tryptofanem, na skutek czego białko represora przybiera taka strukturę przestrzenna, że rozpoznaje sekwencję nukleotydową operatora tryptofanowego, z którym łączy się, blokując możliwość transkrypcji przez polimerazę RNA genów operonu tryptofanowego. W ten sposób cząsteczki tryptofanu blokują jego syntezę w komórkach.Zwykle w komórce jest bardzo mało wolnego tryprofanu, ponieważ w miarę powstawania cząsteczki jego są natychmiast włączane do białek w procesie translacji. Komórka może całkowicie wyłączać syntezę tryptofanu nie tylko na pożywce z tryptofanem, gdy występuje nadmiar cząsteczek tego aminokwasu. Również na pożywce z glukozą, gdzie w zasadzie operon tryptofanowy jest stale czynny, przejściowy nadmiar ilości cząsteczek tryptofanu może powodować chwilowe wyłączanie całego operonu tryptofanowego. Przy wzroście ilości cząsteczek tryptofanu w komórce synteza jego ustaje, ale gdy cząsteczki tryptofanu zostają włączone do białek, synteza tryptofanu zostaje włączona ponownie. W ten sposób w komórce działa jakby bardzo wrażliwy czujnik reagujący nawet na drobne zmiany poziomu cząsteczek tryptofanu w komórce. Komórka może więc utrzymywać stały optymalny poziom cząsteczek wolnego tryptofanu uzależniony od zapotrzebowania na ten aminokwas przy syntezie białek.Aby komórka mogła szybko reagować na zmiany ilości tryptofanu w komórce i stale utrzymywać go na odpowiednim poziomie, konieczne jest szybkie włączanie bądź wyłączanie operonu tryptofanowego. Jest to możliwe tylko dzięki temu, że czas istnienia cząsteczek mRNA jest w komórkach bakterii bardzo krótki. Jeśli represor wyłączy transkrypcję i syntezę nowych cząsteczek mRNA, to stare cząsteczki mRNA po paru minutach zostają zniszczone i synteza enzymów zako dowanych w genach operonu ustaje.Tak więc, mimo że zapis genetyczny w DNA jest trwały i może być przekazywany przez tysiące lat z komórki do komórki i z pokolenia na pokolenie, robocze kopie DNA w postaci cząsteczek mRNA mogą być wytwarzane jedynie zgodnie z chwilowymi, aktualnymi potrzebami komórki. DNA we współdziałaniu z licznymi białkami może się nie tylko replikować lub też służyć jako matryca przy transkrypcji cząsteczek mRNA, ale także może wpływać na sam proces regulacji transkrypcji i w ten sposób regulować ilość i jakość produkowanych w komórkach tysięcy różnych rodzajów białek enzymatycznych.Niektóre białka są zawsze w komórce potrzebne i są stale w komórkach produkowane; wtedy transkrypcja genów tych białek nie jest regulowana w ten sposób, jak to opisaliśmy dla dwóch operonów bakterii.Komórki bakteryjne mają bardzo prostą budowę typową dla organizmów prokariotycznych. Pobierając pokarmy rosną, dzieląc się wytwarzają jednokomórkowe organizmy o prawie identycznym genotypie i fenotypie. Komórki te zwykle nie podlegają żadnemu zróżnicowaniu, a opisane przez nas zmiany w regulacji procesów metabolicznych są tylko zjawiskami chwilowego przystosowania do warunków środowiska - głównie do składu pożywki. Zmiany te są zwykle w pełni odwracalne i
poszczególne geny czy operony są włączane czy wyłaczane zależnie od zmieniających się warunków życia komórek. Ze względu na stosunkowo prostą strukturę komórek bakteryjnych, procesy regulacji aktywności genów u bakterii zostały dość dokładnie poznane i opisane.Jeśli jednak będziemy rozpatrywać organizm zwierzęcia czy człowieka, to spotykamy się z zupełnie nowym zjawiskiem - różnicowaniem się komórek przy wytwarzaniu różnych organów i tkanek osobnika. Wprawdzie wszystkie komórki, z których składa się skomplikowany organizm zwierzęcia, powstały wskutek licznych podziałów
mitotycznych z jednej wyjściowej komórki lecz w wyniku procesów różnicowania stały się względem siebie znacznie odmienne. Komórki różnego typu są wysoce wyspecjalizowane i przystosowane do funkcji,które spełniają w organizmie.W zasadzie wszystkie komórki jednego osobnika powinny mieć ten sam zestaw chromosomów i genów.Bezpośrednio trudno jest to udowodnić, gdyż z
wyspecjalizowanych komórek zwierzęcych nie można otrzymać całego osobnika. Można jednak, choć w ograniczonym zakresie, przenieść jądra z komórek zróżnicowanych do komórek jajowych pozbawionych jądra i otrzymać następnie dorosłego osobnika. Takie doświadczenia udawały się na żabach, a ostatnio wykonano takie doświadczenie na myszach. Doświadczenia te wykazują, że jądra komórek
wyspecjalizowanych mają cały zespół genów koniecznych do
wytworzenia całego osobnika. U roślin stosunkowo łatwo można ze zróżnicowanych i wyspecjalizowanych komórek otrzymać całe osobniki hodując te komórki na specjalnych pożywkach.Cały skomplikowany proces różnicowania i specjalizowania się komórek do wypełniania różnych funkcji, jaki zachodzi w rozwoju embrionalnym i w okresach późniejszych u organizmów eukariotycznych jest zapewne wynikiem działania mechanizmów genetycznych regulujących działalność genów w komórkach. Niestety o mechanizmach tych procesów u organizmów eukariotycznych wiemy znacznie mniej niż o analogicznych procesach u bakterii. Bakterie nie mogą tu służyć jako prosty model bardzo złożonych procesów zachodzących u wyższych organizmów chociażby dlatego, że komórki ich nie podlegają zróżnicowaniu.W komórkach rośliny czy zwierzęcia jest około 1000 razy więcej DNA niż w komórkach bakterii. Nie znaczy to wcale jednak, iż organizmy te posiadają tysiąc razy więcej genów niż bakterie. Niewątpliwie wyższe organizmy wytwarzają znacznie więcej różnych białek niż komórki bakterii i do ich zakodowania muszą mieć znacznie więcej DNA, ale z pewnością nie tysiąc razy więcej. Jeśli bakterie mają geny kodujace 2-3 tysięcy różnych białek to komórki wyższych organizmów eukariotycznych z pewnością nie wytwarzają 2-3 milionów białek. Dokładnie nie wiemy ile, ale chyba nie więcej niż kilkadziesiąt tysięcy różnych białek. Wobec tego powstaje pytanie, w jakim celu organizmy te posiadają taki nadmiar DNA w swych chromosomach. Wykazano, że w DNA ssaków występują różne stosunkowo krótkie sekwencje nukleotydowe w milionach kopii. Inne sekwencje występują w mniejszych ilościach kopii. Między tymi sekwencjami DNA o nieznanej funkcji znajdują się rozrzucone geny, często w pojedynczych egzemplarzach, kodujace biatka ssaków. Stanowią one zaledwie 10-20% całego DNA. Niewątpliwie DNA nie kodujące białek, rRNA czy tRNA, w genomach wyższych organizmów nie jest tylko bezużytecznym balastem. W ostatnich latach dostarczono coraz więcej dowodów, że znaczna część DNA, a może nawet jego większość występująca w chromosomach wyższych wielokomórkowych organizmów, pełni jedynie funkcje regulacyjne. Te liczne sekwencje nukleotydów DNA nie kodujące syntezy polipeptydów zawierają jakby cały program rozwoju i różnicowania się komórek w ontogenezie. Liczne
specyficzne sekwencje w DNA we współdziałaniu z różnymi białkami powodują, że w czasie rozwoju osobnika poszczególne grupy komórek wyłączają jedne grupy genów, a inne zespoły genów zostają uaktywnione. Procesy różnicowania się komórek, tkanek i narządów odbywają się według bardzo dokładnie określonego planu rozwoju. Zachodzą one w ściśle określonej kolejności w określonych miejscach i w określonym czasie. Wymaga to bardzo złożonej i precyzyjnej regulacji aktywności genów w różnych okresach rozwoju osobniczego. W DNA zawarta jest więc informacja genetyczna nie tylko o syntezie specyficznych białek ale także jakby plan i program budowy całego wielokomórkowego organizmu, realizowany w kolejnych etapach jego rozwoju.Nie ulega wątpliwości, że proces różnicowania się komórek polega na wyłączaniu bądź włączaniu różnych genów w trakcie rozwoju osobnika. Jednak mechanizmy tych procesów regulacji aktywności genów są u organizmów eukariotycznych inne niż te, które poznaliśmy u bakterii. Nie obserwuje się tu żadnych operonów. Cząsteczki mRNA występujące w cytoplazmie komórkowej zawierają z reguły informację o syntezie tylko jednego polipeptydu.U organizmów eukariotycznych synteza mRNA zachodzi w jądrze, a następnie cząsteczki mRNA są przenoszone do cytoplazmy, gdzie po połączeniu z rybosomami podlegają translacji. Okazało się, że w procesie transkrypcji zachodzącym w jądrze są transkrybowane bardzo długie cząsteczki RNA. Cząsteczki te następnie podlegaja bardzo złożonej obróbce. Na terenie jądra zostają one pocięte i niektóre odcinki RNA ulegają prawie całkowitemu zniszczeniu, czyli degradacji do pojedynczych nukleotydów, podczas gdy inne sa ponownie łączone. Nawet w obrębie genu z zapisem o syntezie danego białka mogą znajdować się, między sekwencjami nukleotydów kodującymi sekwencje aminokwasów w łańcuchu polipeptydowym, wtrącone sekwencje niekodujące, które oczywiście muszą być wycięte tak, aby sekwencje nukleotydów kodujące stanowiły jeden nieprzerwany ciąg wyznaczający syntezę polipeptydu. Dopiero po tych licznych przeróbkach gotowe stosunkowo krótkie cząsteczki mRNA są przekazywane do cytoplazmy. Procesami tymi kierują zapewne bardzo liczne, do dziś nie poznane mechanizmy, które mogą regulować ilość i jakość produkowanych czasteczek mRNA. Tak więc u
eukariontów istnieje możliwość występowania procesów regulacyjnych po transkrypcji, a przed translacją gotowych cząsteczek mRNA.U bakterii, gdzie nie ma jądra z błoną jądrowa, zwykle translacja cząsteczek mRNA zaczyna się jeszcze w trakcie samej transkrypcji, gdy polimeraza RNA syntetyzuje cząsteczki mRNA. Jeszcze nie w pełni zsyntetyzowane cząsteczki mRNA już na swym końcu 5' wchodzą w kontakt z rybosomami i zaczyna się na nich synteza łańcuchów polipeptydowych.Poza tym trzeba pamiętać, że chromosomy organizmów eukariotycznych zawierają DNA w postaci chromatyny,a więc w złożonych kompleksach z licznymi białkami chromatyny. DNA ukryty wewnatrz chromatyny jest silnie pozwijany i poskręcany; aby DNA mógł być dostępny dla polimerazy RNA, która by rozpoczęła transkrypcję z określonych obszarów chromosomu, musi najpierw ulec zmianom strukturalnym. Wiadomo dziś, że różne hormony, produkowane często w bardzo odległych komórkach organizmu, docierają do określonych rodzajów komórek docelowych i wnikają do ich wnętrza. We wnętrzu komórki, łącząc się ze specyficznymi białkami, przedostają się do jąder komórkowych i tam działając na chromatynę chromosomów powodują, że określone geny występujace w chromosomach zostają intensywnie transkrybowane. Zapewne hormony zmieniają lokalnie strukturę chromatyny udostępniajac dla polimerazy RNA określone rejony chromosomów. Ostatecznie, w wyniku działania hormonów, komórki zdolne do ich pobrania uruchamiaja ściśle określony zestaw genów kodujących określone białka. W tym przypadku regulacja aktywności genów zachodzi na poziomie ich
transkrypcji.Poznawanie genetycznych mechanizmów rozwoju i różnicowania się organizmów zaczęło się dopiero w ostatnich latach. Przed nami otwierają się obecnie możliwości poznania, dzięki jakim to procesom z jednej komórki - zygoty w ciągu dziewięciu miesięcy powstaje człowiek. Będzie to wielka przygoda naukowa, zapewne pełna niespodzianek.
5.7.
Zmienność organizmów
W wyniku segregacji chromosomów i zawartych w nich genów w czasie mejozy powstają komórki płciowe o bardzo różnym wyposażeniu genetycznym. Po ich losowym połączeniu w procesie zapłodnienia powstają zygoty o bardzo różnych kombinacjach genów. Z tych względów potomstwo organizmów rozmnażających się płciowo jest genetycznie bardzo różnorodne. Toteż potomstwo jednej pary rodziców z zasady nie jest identyczne i może różnić się zarówno między sobą, jak i od swych rodziców wieloma cechami. Taką zmienność organizmów, kiedy różnice między właściwościami osobników, czyli między ich fenotypami, wynikają z różnic między ich genotypami, nazywamy zmiennością rekombinacyjną.Dwa osobniki o tym samym genotypie, jeśli będą rozwijać się w odrębnych warunkach środowiskowych, mogą być różne fenotypowo na skutek wpływu czynników środowiskowych. Jeśli na przykład dwie sadzonki z tej samej rośliny wysadzimy -jedną na niżu, a drugą wysoko w górach, to każda z nich może wytworzyć pędy i kwiaty tak różne, że będą robiły wrażenie, jakby pochodziły z dwóch odrębnych gatunków czy odmian. Odmienne warunki klimatu górskiego i nizinnego zmieniają zupełnie pokrój roślin. Sa to jednak zmiany wyłacznie fenotypowe, niedziedziczne. Ponieważ w naturze warunki środowiskowe sa niesłychanie zróżnicowane i zmienne w czasie i przestrzeni, prawie każdy osobnik jest poddany innym wpływom środowiska i wytwarza trochę inne właściwości. Jest to zmienność fluktuacyjna o charakterze niedziedzicznym, dotycząca tylko fenotypu osobnika.Jak już wielokrotnie wspominaliśmy poprzednio, geny nie są całkowicie stałe i niezmienne, ale od czasu do czasu ulegają spontanicznym zmianom; czyli mutacjom. W wyniku mutacji rńogą powstać nowe allele genu, które różnią się między sobą sekwencją, czyli kolejnością ułożenia nukleotydów we fragmencie cząsteczki DNA stanowiącej gen. Ten typ zmienności nazywać będziemy zmiennością mutacyjną. Jest to zmienność dziedziczna dotycząca zmian w genotypie. Od zmienności
rekombinacyjnej różni się tym, że polega na powstawaniu całkiem nowych alleli genów, które u form rodzicielskich w ogóle nie występowały, podczas gdy zmienność rekombinacyjna wynika tylko z wytwarzania nowych kombinacji alleli genów, które u rodziców występowały w innym układzie niż u ich potomstwa.Te trzy typy zmienności rozpatrujemy w kategoriach cech jakościowych, tj. cech uwarunkowanych niewielką liczbą genów, przy czym warto podkreślić, że zmienność tych cech ma charakter skokowy. Do innej kategorii zaliczamy cechy zmieniające się w sposób ciagły, np. wydajność mleczna krów, przyrosty dzienne, plenność i wysokość plonu itp. Cechy te, zwane cechami ilościowymi, uwarunkowane są wieloma genami, których dziedziczenie różni się istotnie od poznanych już schematów dziedziczenia genów warunkujących cechy jakościowe. Najistotniejszą pod tym względem różnicą jest brak rozszczepienia cech w drugim pokoleniu mieszańców.Zanim przejdziemy do bardziej szczegółowego opisu procesów mutacji, zmienności mutacyjnej oraz zmienności cech ilościowych, omówimy pokrótce na kilku przykładach zmienność rekombinacyjną i fluktuacyjną.
5.7.1.
Zmienność rekombinacyjna
Załóżmy, że człowiek posiada 10 tysięcy odrębnych genów (zapewne posiada ich znacznie więcej) i że tylko 5% genów występuje w stanie heterozygotycznym, w postaci dwóch odrębnych alleli w zygocie, a więc osobnik ludzki będzie heterozygotyczny w stosunku do 500 różnych genów. Z praw Mendla wynika, że osobnik heterozygotyczny w stosunku do jednej pary alleli wytwarza dwa rodzaje gamet. Heterozygoty w stosunku do pary alleli dwóch genów wytwarzają cztery rodzaje gamet, a heterozygota w stosunku do n par alleli n genów będzie wytwarzać 2 do n potęgi rodzajów gamet. Człowiek; który średnio jest heterozygotyczny w stosunku do par alleli 500 genów(jak to założyliśmy wyżej), będzie wytwarzał 2 do 500 potęgi typów gamet. Jest to wprost niewyobrażalnie wielka liczba. Wynika z tego, że prawie każda komórka jajowa czy plemnik wytwarzany przez rodziców będzie posiadał odrębny skład alleli genów. Jeszcze większa liczba kombinacji alleli powstanie w zygotach powstających w wyniku łączenia się odrębnych gamet (męskiej i żeńskiej) w procesie zapłodnienia. Z prostego rachunku wynika, że
prawdopodobieństwo, aby dwoje rodzeństwa posiadało ten sam genotyp, jest właściwie znikome, czyli powstanie pary ludzi o identycznych genotypach zdarza się bardzo rzadko-jedyne przypadki całkowitego podobieństwa genetycznego między rodzeństwem, to bliźnięta jednojajowe. Powstają one w wyniku zaburzeń w podziatach jednej zygoty, która zamiast wytworzyć jednego osobnika wytwarza dwa osobniki, czyli bliźnięta jednojajowe. Są one oczywiście
genetycznie identyczne, gdyż powstały z jednej komórki jajowej zapłodnionej jednym plemnikiem. Badania nad bliźniętami
jednojajowymi wykazują zaskakujące podobieństwa między nimi w zakresie różnych cech, dotyczących nie tylko wyglądu zewnętrznego. A obserwowane różnice między dwoma bliźniętami jednojajowymi wskazują; jakie cechy ludzkie podlegają zmianom pod wpływem czynników środowiskowych.Zjawisko sprzężonego dziedziczenia genów znajdujących się w jednym chromosomie zmniejsza zakres zmienności rekombinacyjnej, ale zjawisko crossing-over umożliwia również rekombinację genów sprzężonych. Zmienność rekombinacyjną
obserwujemy powszechnie i jest ona podstawowym źródłem zmienności genetycznej między osobnikami tego samego gatunku. Ma ona duże znaczenie w procesach ewolucyjnych. W każdym nowym pokoleniu powstają tysiące nowych kombinacji alleli w różnych osobnikach. Osobniki te są następnie poddawane doborowi naturalnemu, który selekcjonuje osobniki najlepiej przystosowane do warunków bytowania. Powoduje to szybsze przystosowanie się gatunków do zmieniających się warunków środowiska.Oczywiście zmienność rekombinacyjna dotyczy przede wszystkim tych organizmów, które rozmnażają się płciowo. Niżej uorganizowane organizmy i bakterie rozmnażają się głównie przez podziały komórkowe, nie występuje u nich rozmnażanie płciowe, nie ma mejozy i procesu zapłodnienia. Niemniej, nawet u najprostszych bakterii wykryto mechanizmy umożliwiające wymianę genów między komórkami bakteryjnymi. Omawialiśmy poprzednio proces transformacji, w którym bakterie mogą pobierać DNA wyzwolony z innych komórek i włączać go do swego chromosomu (genoforu). Wirusy bakteryjne, czyli fagi, zakażając kolejne szczepy bakterii, mogą także przenosić geny bakteryjne z jednych komórek do drugich. Niektóre szczepy bakterii mogą między sobą koniugować i w czasie koniugacji przekazywać całe fragmenty DNA z genami w nim zawartymi. Tak więc, choć w ograniczonym stopniu, nawet bakterie mogą wymieniać geny między sobą.Zmienność rekombinacyjna przyczynia się do powstawania w potomstwie nowych kombinacji poprzednio już istniejących alleli genów. W procesach tych nie powstają jednak nowe allele genów. W wyniku współdziałania genów mogą wśród rekombinantów pojawić się cechy, które nie występowały u rodziców, ale wynika to tylko z nowych "połączeń" alleli w zygotach.
5.7.2.Zmienność fluktuacyjna (środowiskowa)
Jak wiemy, geny powodują wytwarzanie wtaściwości (cech)
dziedzicznych organizmów. W zależności od przebiegu różnych procesów metabolicznych wytwarzają się wszelkie właściwości organizmów, które genetycy badają jako cechy dziedziczne.2achodzące w komórkach tysiące procesów chemicznych, polegających na rozktadzie, czyli katabolizmie, bądź na syntezie, czyli anabolizmie różnych bardziej lub mniej złożonych związków organicznych, odbywają się zawsze przy udziale tysięcy odrębnych enzymów. Enzymy służą jako niesłychanie silnie i wybiórczo działające katalizatory reakcji chemicznych. Brak tych katalizatorów w komórce spowodowałby to, że reakcje przebiegałyby w zupełnie innych warunkach, np. w znacznie wyższych temperaturach, ciśnieniu i stężeniu składników. Na procesy chemiczne zachodzące w komórkach wpływają jednak również i czynniki świata zewnętrznego. Skład chemiczny pokarmów, temperatura, czy promieniowanie słoneczne mogą powodować, że określone reakcje metaboliczne w komórkach mogą być przyspieszone, zwolnione lub w ogóle całkowicie zahamowane. Warunki środowiskowe w pewnym stopniu wpływaja na rozwój organizmu i na jego cechy fenotypowe. Są to jednak zmiany niedziedziczne. Genotyp organizmu warunkuje właściwość różnego reagowania na warunki
środowiskowe.Rośliny zielone zawierają w chloroplastach zielony barwnik chlorofil, konieczny do przeprowadzania fotosyntezy. Czasami wysiewajac nasiona zbóż czy innyeh roślin można
zaobserwować kiełkujące siewki o białożółtawym kolorze, całkowicie pozbawione zdolności wytwarzania chlorofilu. Rośliny takie żyją, dopóki nie wyczerpią zapasów zawartych w nasieniu, a następnie giną, gdyż są niezdolne do fotosyntezy.Jeśli takiego mutanta zaszczepimy na podkładce z rośliny zielonej, to będzie się on rozwijał dokarmiany przez podkładkę. Tego rodzaju bezbarwne mutanty powstają w wyniku mutacji w jednym z kilku różnych genów, kodujących enzymy konieczne do syntezy czasteczki chlorofilu w komórkach roślinnych. Są to więc jakby dziedziczne albinosy roślinne niezdolne do wytwarzania chlorofilu w żadnych warunkach, w których mogą żyć rośliny.Synteza chlorofilu w roślinach przebiega w wielu etapach zależnych od różnych enzymów. Jeden z etapów syntezy chlorofilu wymaga, oprócz odpowiedniego enzymu, także promieniowania słonecznego, gdyż zachodzi w tym etapie tak zwana reakcja fotochemiczna wymagająca energii pochodzącej ze światła słonecznego. Gdy na wiosnę obserwujemy wyrastajace pędy ziemniaka w ciemnej piwnicy, to stwierdzamy, że są one cienkie, wiotkie, prawie bez liści, a przede wszystkim żółtawe i nie zawieraja chlorofilu. Gdy bulwę ziemniaka przeniesiemy na światło, to zacznie ona wytwarzać krótkie, grube, zielone pędy z normalnie
wykształconymi liśćmi. Światło słoneczne ma olbrzymi wpływ na wykształcenie pędów i liści, a przede wszystkim na zdolność do wytwarzania chlorofilu. W tym przypadku brak chlorofilu w roślinie był spowodowany jedynie brakiem światła słonecznego, inaczej niż w przypadku dziedzicznego mutanta niezdolnego do syntezy chlorofilu. Roślina normalna, niezmutowana, zazielenia się na świetle, zaś mutant dziedziczny jest niezdolny do wytwarzania chlorofilu zarówno na świetle, jak i oczywiście w ciemności. A więc u roślin istnieje dziedziczna zdolność do wytwarzania chlorofilu w świetle
słonecznym.Omówimy teraz przykład dotyczacy wpływu temperatury na fenotyp zwierzęcia. W hodowli królików wyróżniamy szereg ras o różnej barwie sierści, jak na przykład: płowej, żółtej, czarnej itp. Znamy także króliki albinotyczne o różowych oczach i białej sierści, całkowicie pozbawione barwnika. Zdolność do syntezy barwnika zależy od wielu genów kodujacych enzymy konieczne do jego syntezy. Jeden z genów związanych z syntezą barwnika, oznaczony symbolem C, jest podstawowy dla tej syntezy. Gdy królik jest homozygotą w stosunku do recesywnego allelu c, to wtedy synteza barwnika jest zablokowana i powstaje albinos.Dla genu C wykryto również drugi recesywnyh allel oznaczany symbolem c do potęgi h. Osobniki o genotypie chch są to tak zwane albinosy himalajskie. Króliki te mają cały korpus biały jak u albinosów, ale końce nóg, uszu, ogona i pyszczka są ciemno zabarwione. Króliki te hodowane w podwyższonej temperaturze sa całkowicie białe jak zwykłe albinosy, natomiast gdy hoduje się je w obniżonej temperaturze, to ciemne plamy stają się znacznie większe i obejmują nawet ćzęść korpusu królika. Jeśli wygolimy włosy w części niezabarwionej (na grzbiecie czy brzuchu) i do miejsca tego przyłożymy kompres z lodem, to wyrosną włosy ciemne. Odwrotnie, gdy na uszach królika z rasy albinosów himalajskich wygolimy włosy i pozwolimy im odrastać pod ogrzewającym kompresem, to wyrosną włosy białe. Tak więc wydaje się, że barwa włosów u albinosów himalajskich zależy od
temperatury. W wyższej temperaturze, jaka charakteryzuje korpus królika, barwnik nie jest wytwarzany, na końcach nóg, pyszczka, ogona czy uszu, gdzie temperatura jest obniżona, barwnik we włosach wytwarza się.W tym przypadku można stosunkowo prosto wyjaśnić właściwości umaszczenia królików rasy albinos himalajski. Króliki o genotypie CC (bądź Cc czy Cc ), które posiadają dominujacy allel C, wytwarzają enzym konieczny do syntezy barwnika w ich sierści. Enzym ten jest w pełni aktywny w szerokim zakresie temperatur, w których królik może się rozwijać. Króliki o genotypie cc, czyli albinosy, wytwarzają enzym całkowicie nieaktywny we wszelkich temperaturach i wobec tego w każdych warunkach są całkowicie pozbawione barwnika. Allel c (w stosunku do którego są
homozygotyczne króliki rasy albinos himalajski) koduje zaś konieczny do syntezy barwnika enzym, który jest nieaktywny w podwyższonej temperaturze, zaś w temperaturze obniżonej wykazuje prawie normalną aktywność. Dzięki wrażliwości enzymu na
temperaturę, jest ona czynnikiem kształtującym fenotyp królika, czyli rodzaj jego umaszczenia.Omówione przykłady udowadniają wpływ warunków środowiskowych na fenotyp osobnika. Ponieważ jednak środowisko nie wpływa bezpośrednio na DNA, a więc i na geny, a jedynie na rodzaj ich fenotypowego ujawniania się, nie są to zmiany dziedziczne. Można powiedzieć, że geny nadają organizmowi taką czy inną zdolność do reagowania na świat zewnętrzny, w którym organizm się rozwija.
5.7.3.
Zmienność mutacyjna
Geny, jak już wiemy, nie są całkowicie stałe i niezmienne. Od czasu do czasu podlegają zmianom zwanym mutacjami, w wyniku których powstają nowe allele genów. Geny ułożone są w określonym porządku i kolejności wzdłuż chromosomów. Chromosomy są replikowane, a następnie rozdzielane w mitozie do komórek potomnych, co warunkuje stałość liczby i struktury chromosomów. Ta stałość chromosomów też nie jest całkowita i wobec tego z pewna niewielką częstością zachodzą mutacje zmieniające strukturę bądź liczbę chromosomów. Wszystkie te zjawiska nazywamy zmiennością mutacyjną. Omawiając zmienność mutacyjną oddzielnie rozpatrzymy zmiany zachodzące w obrębie genów, prowadzące do powstania nowych alleli genów, czyli mutacje genowe, oraz zmiany dotyczace struktury oraz liczby chromosomów, czyli mutacje chromosomowe.
5.7.3.1.
Mutacje genowe
Gen, jak to omawialiśmy, jest to odcinek podwójnego heliksu DNA złożony z ţokreślonej liczby par nukleotydów, ułożonych w ściśle określonej kolejności, czyli sekwencji. Geny odtwarzane sa w procesie replikacji DNA w wyniku działania polimerazy DNA oraz innych białek. W procesie tym polimeraza DNA popełnia czasem błędy i włącza do nowo syntetyzowanego łańcucha niewłaściwy nukleotyd, na przykład naprzeciw nukleotydu adeninowego włączy nukleotyd cytozynowy.Okazało się, że polimeraza DNA posiada zadziwiającą zdolność rozpoznawania i usuwania własnych błędów. Po błędnym włączeniu nukleotydu polimeraza DNA cofa się o jeden nukleotyd, wycina go i wtącza na jego miejsce właściwy. Polimeraza DNA spełnia więc nie tylko rolę zecera w drukarni, składającego tekst z poszczególnych czcionek, ale także i korektora, który poprawia błędy powstające w trakcie syntetyzowania nowego łańcucha DNA. U niektórych bakterii otrzymano w genie kodującym polimerazę DNA mutację, w wyniku której polimeraza utraciła swoje właściwości korektorskie. W takich mutantach polimeraza DNA popełniała tysiąc razy więcej błędów w czasie replikacji DNA niż w szczepie dzikim o niezmutowanym genie polimerazy DNA.Każdy błąd w replikacji DNA może być przyczyną powstania mutacji genu. Gdy naprzeciw nukleotydu adeninowego zostanie włączony nukleotyd z niewłaściwą zasada - C, to w podwójnym heliksie DNA będzie występowała para zasad AC. Przy następnej replikacji DNA nukleotyd adeninowy i cytozynowy znajdą się w dwóch łańcuchach matrycowyćh służących do syntezy potomnych cząsteczek DNA. Jeśli teraz replikacja będzie poprawna, to w jednym heliksie DNA powstanie para nukleotydów z zasadami AT, a w drugim para nukleotydów z zasadami CG. Oba te heliksy DNA zostaną następnie przekazane komórkom potomnym. Jedna z nich, mająca DNA z parą nukleotydów zawierajacych zasady C i G, będzie mutantem w stosunku do komórki siostrzanej mającej w tym samym miejscu DNA parę nukleotydów zawierajacych zasady A i T. Jeśli taka zamiana nukleotydów zaszła w obrębie genu, to może ona na przyktad spowodować, iż jeden z kodonów, oznaczający określony aminokwas w kodowanym przez gen polipeptydzie, zostanie zamieniony w inny kodon oznaczający inny aminokwas. Taka zamiana jednego aminokwasu w kodowanym przez gen białku może wywołać bardzo istotne zmiany wţjego właściwościach. Przedstawiamy to na jednym przykładzie.U człowieka od lat badano dokładnie hemoglobinę, czyli białko występujace w krwinkach, ze względu na jego niezmiernie ważna rolę w przenoszeniu tlenu do wszystkich komórek organizmu. Białko to wykazuje dość złożoną budowę i składa się z dwóch cząsteczek hemu i czterech łańcuchów polipeptydowych tworzących białko zwane globiną. Z tych czterech łańcuchów globiny dwa są to łańcuchy zwane alfa a dwa to łańcuchy beta.Łańcuch alfa składa się ze 141 aminokwasów, a łańcuch beta ze 146 aminokwasów. W obu łańcuchach globin znana jest kolejność ułożenia, czyli sekwencja występujących w nich aminokwasów. Jak już wspominaliśmy, w skład hemoglobiny oprócz łańcuchów białkowych globin wchodzą jeszcze dwie czasteczki związku zwanego hemem, zawierajacego atomy żelaza, który w powiazaniu z białkiem globin odgrywa decydujacą rolę w transporcie tlenu w organizmie ludzkim.Budowa łańcuchów alfa i beta globin jest zakodowana w odpowiednich genach znajdujących się w chromosomach. Okazało się, że występujace, na szczęście dość rzadko, mutacje w tych genach powoduja, to że w organizmie ludzkim są syntetyzowane łańcuchy alfa i beta globin o zmienionym składzie aminokwasowym. W wyniku tych zmian powstają nieprawidłowe cząsteczki hemoglobiny, które mogą powodować różne typy anemii, często bardzo groźne dla zdrowia i życia ludzi. Choroby te sa dziedziczne i wynikają ze zmian w genach globin i wobec tego sa praktycznie nieuleczalne. Jedna z takich dziedzicznych chorób została nazwana anemią sierpowatą. Osobniki homozygotyczne w stosunku do zmutowanego allelu genu kodujacego łańcuch beta globiny wytwarzają krwinki, których ściany często się zapadaja i tworzą sierpowaty kształt krwinek. Hemoglobina w takich krwinkach jest mało aktywna w przenoszeniu tlenu, co powoduje bardzo ostrą anemię i śmierć w krótkim czasie po urodzeniu.Gdy zaczęto porównywać hemoglobinę osobników z anemią sierpowatą z hemoglobiną osobników zdrowych, to okazało się, że jedyna różnica między tymi dwoma hemoglobinami polega na tym, że u zdrowego osobnika w pozycji szóstej łańcucha beta hemoglobiny znajduje się aminokwas - kwas glutaminowy, a w tej samej pozycji u osobników z anemia znajduje się aminokwas - walina. Szczegółowe badania wykazały, że w genie kodującym łańcuch beta globiny nastapiła zmiana jednej pary nukleotydów na inna, w wyniku czego kodon oznaczający kwas glutaminowy został zamieniony na kodon oznaczajacy walinę.Wszystkie pozostałe 145 aminokwasów w łańcuchu beta, jak i wszystkie 141 aminokwasów w łańcuchu alfa, są identyczne jak w hemoglobinie osobników zdrowych. Przykład ten uwidocznia, jak istotna dla funkcji białka jest sekwencja aminokwasów w łańcuchach polipeptydowych i jak dramatyczne skutki dla funkćji biologicznych białka może mieć zamiana nawet jednego aminokwasu.Ponieważ częste powstawanie mutacji może mieć bardzo niekorzystny wpływ na organizm, komórki "chronią się" przed zbyt dużą częstóścią ich występowania w bardzo różny sposób. Z jednej strony jest to korekcyjne działanie polimerazy DNA w procesie replikacji, a z drugiej są to liczne procesy reperacji wszelkich uszkodzeń DNA.Jeśli w wyniku błędnej replikacji powstało połaczenie między niewłaściwymi zasadami, to może być ono usunięte działaniem enzymu reperujacego. Enzym ten rozpoznaje połączenie między niewłaściwymi zasadami w DNA.Jeśli byłaby to na przykład para AC, to specjalny enzym reperacyjny przetnie łańcuch DNA w pobliżu niewłaściwego nukleotydu z cytozyną (C). W wyniku takiego nacięcia zostają zwykle usunięte znajdujące się w tym łańcuchu DNA sąsiednie nukleotydy. Powstaje więc w podwójnym heliksie DNA luka w jednym z łańcuchów. Następnie luka ta zostaje wypełniona dzięki działaniu polimerazy DNA, która w tym przypadku włączy naprzeciw adeniny nukleotyd z właściwą zasadą T. W ten sposób błąd w DNA zostanie usunięty jeszcze przed następnym cyklem replikacji DNA, co zapobiegnie mutacji.Dzięki tym mechanizmom "korektorskim" i "reperacyjnym" częstość zachodzących mutacji jest bardzo niewielka. Mutacje zachodzące bez wpływu żadnego czynnika działającego z zewnątrz nazywamy mutacjami spontanicznymi, czyli samorzutnymi. Powstają one w różnych genach i opisane były u prawie wszystkich organizmów. Częstość ich pojawiania waha się od jednej mutacji na 100000, do jednej mutacji na jeden milion powstałych nowych kopii jednego genu. Mutacje mogą zachodzić w komórkach wszelkiego rodzaju, zarówno w gametach, jak i w komórkach somatycznych organizmu zwierzęcego czy roślinnego. Najdokładniejsze dane o częstości występowania mutacji w różnych genach można otrzymać dla bakterii. W każdej komórce bakteryjnej znajduje się tylko jedna kopia genu i mimo że mutacja, jak to najczęściej bywa, ma charakter recesywny w stosunku do allelu nie zmutowanego, to u bakterii przejawi się ona natychmiast fenotypowo. U wyższych organizmów diploidalnych mutacja recesywna allelu dominującego w jednym chromosomie będzie oczywiście maskowana obecnością allelu dominujacego w drugim chromosomie homologicznym.Powiedzmy, że posiadamy szczep bakterii Escherichia coli niezdolny do syntezy aminokwasu histydyny na skutek mutacji w jednym z genów operonu histydynowego. Szczep taki będziemy nazywać his-. Bakterie szczepu his- oczywiście nie będą zdolne do wzrostu na pożywce minimalnej, na której rośnie niezmutowany szczep dziki. Jeśli jednak na pożywkę minimalnąwysiejemy kilkadziesiąt milionów komórek bakterii szczepu his-, to zwykle wyrośnie nam od kilku do kilkunastu kolonii bakterii typu dzikiego his+. W pojedynczych komórkach, z których wskutek licznych podziałów powstały kolonie bakterii typu his+, zaszły mutacje typu his- his+. Częstość występowania takiej mutacji wynosi mniej więcej 4 mutacje na 10 milionów komórek. Jeśli będziemy badali częstość występowania mutacji w odwrotnym kierunku, od his+ do his-, to częstość tego rodzaju mutacji jest znacznie wyższa i wynosi około 2 mutacji na milion badanych komórek, czyli częstość występowania mutacji typu hiś#hiś jest około 200 razy wyższa niż częstość występowania mutacji w kierunku przeciwnym hiś - his+. Ten wynik łatwo wytłumaczyć. W przypadku mutacji od his- do his+ musimy otrzymać mutację w jednym określonym genie związanym z biosyntezą histydyny w taki sposób, aby mutacja spowodowała przywrócenie aktywności kodowanego przez gen enzymu. Musi to więc być mutacja w określonym miejscu genu. Mutacje w przeciwnym kierunku od his+ do his- mogą być różnego typu i mogą zachodzić w różnych miejscach genu, powodując różne zmiany w łańcuchu polipeptydowym białka wywołujące utratę aktywności enzymu i niezdolność komórki do wytwarzania histydyny. Gen złożony z tysięcy par nukleotydów może zmutować w dowolnej parze nukleotydów i na miejsce jednej właściwej pary nukleotydów może być w wyniku mutacji wprowadzona jedna z trzech innych par nukleotydów występujących w DNA. Jak więc widzimy, w wyniku mutacji genu może powstać znaczna ilość różnych alleli danego genu, w zależności od tego jaka i w którym miejscu DNA zaszła mutacja, oczywiście nie u pojedynczego osobnika.Mutacje spontaniczne w pojedynczych genach występują stosunkowo rzadko. Ich pojawianie się jest przypadkowe, losowe; jest niemożliwe do przewidzenia, w której komórce i który gen zmutuje. Jeśli jednak weźmiemy pod uwagę, że komórki zawierają tysiące genów i że z jednej komórki bakterii w krótkim okresie czasu można otrzymać miliony komórek potomnych, to w naturze mutacje genów bakterii wcale nie są zjawiskiem rzadkim. Powstawanie mutacji samorzutnych badano u różnych organizmów zwierzęcych i roślinnych, a także i u człowieka. Dotyczą one wszelkich cech, jak na przykład barwy oczu czy kształtu skrzydeł u Drosophila, zdolności do syntezy aminokwasów u bakterii. Mutacje są także przyczynami różnych chorób dziedzicznych u człowieka. Wiele mutacji powoduje bardzo drobne, ledwo dostrzegalne zmiany we właściwościach organizmów, a inne są mutacjami letalnymi, powodującymi śmierć osobników.Częstość występowania mutacji spontanicznych jest stosunkowo niewielka i wynika głównie z nie naprawionych błędów powstających w czasie replikacji DNA. Również wiele czynników środowiska zewnętrznego może wpływać na zawarty w komórkach DNA, powodując jego uszkodzenia, w wyniku których powstaną mutacje. Czynniki te powoduja zwiększenie częstości występowania mutacji i zwane są czynnikami mutagenicznymi, a zachodzace pod ich wpływem mutacje, w odróżnieniu od mutacji samorzutnych, nazywamy mutacjami indukowanymi.Po raz pierwszy możliwość indukowania mutacji wykazał w roku 1927 genetyk amerykański H. J. Muller napromieniowując plemniki Drosophila promieniami Roentgena. Promienie Roentgena przenikając do wnętrza komórek powodują jonizację napotkanych po drodze atomów różnych związków organicznych, a przede wszystkim cząsteczek wody, których w komórkach jest najwięcej. W wyniku jonizacji następują także liczne uszkodzenia w cząsteczkach DNA. Wiązanie fosforanowe między nukleotydami w łańcuchach DNA mogą ulec zerwaniu, co może spowodować pękanie całych chromosomów, a także zmiany w poszczególnych nukleotydach czy samych zasadach.Działanie mutageniczne posiadają nie tylko promienie Roentgena, ale wszelkie inne promieniowanie wywołujące jonizowanie atomów, jak na przykład promieniowanie powstające przy rozpadzie pierwiastków
promieniotwórczych. Przy większych dawkach promieniowania jonizującego uszkodzenia w DNA są tak liczne i drastyczne, że komórka nie jest w stanie ich naprawić i ginie. Przy odpowiednio niskich dawkach promieniowania jonizującego część uszkodzeń powstałych w DNA ulega naprawieniu, powstają jednak przytym, często na skutek błędnej naprawy, mutacje genowe. Ich częstość może być setki razy wyższa niż mutacji samorzutnych, ze względu na zwiększoną częstość uszkodzeń DNA.Podobnie promieniowanie ultrafioletowe (promieniowanie UV), o długości fali 265 nm, jest intensywnie pochłaniane przez DNA i powoduje w nim liczne uszkodzenia innego typu niż promieniowanie jonizujące. W DNA, w wyniku pochłonięcia energii promieniowania UV, zasady pirymidynowe, a zwłaszcza tymina, nabierają zupełnie nowych właściwości chemicznych. Leżące obok siebie w łańcuchach DNA dwie tyminy łącza się w jedną podwójną cząsteczkę zwana dimerem tyminowym. W czasie replikacji DNA polimeraza DNA nie rozpoznaje dimeru tyminowego, który w zwykłym DNA nie występuje i wobec tego następuje
zatrzymanie procesu replikacji DNA. Polimeraza DNA może zacząć replikację DNA w nowym miejscu, ale w nowo syntetyzowanym łańcuchu DNA, naprzeciw dimeru w DNA matrycy, pozostanie przerwa. Takie luki w nowo syntetyzowanym DNA, o ile nie zostaną zreperowane, powodują oczywiście śmierć komórki. Ponieważ w promieniowaniu słonecznym docierajacym na powierzchnię Ziemi występuje także promieniowanie UV, to organizmy muszą mieć całe zespoły enzymów reperujących uszkodzenie DNA wywołane promieniowaniem UV. Istnieją w komórkach bakterii, drożdży czy wyższych organizmów enzymy, które przy udziale światła widzialnego rozbijają dimery tyminowe na dwie pojedyncze cząsteczki tyminy. Istnieją także enzymy reperacyjne, które rozpoznają dimery w łańcuchach DNA, powodują nacięcie łańcucha DNA i usunięcie dimeru, a powstajaca luka jest następnie wypełniana dzięki działalności polimerazy DNA. Jeszcze inny mechanizm reperacyjny polega na usuwaniu dimerów z DNA po replikacji, w wyniku rekombinacji między dwoma chromosomami występującymi w komórce. Zwłaszcza przy tym ostatnim rodzaju reperacji uszkodzeń DNA powstają bardzo liczne błędy prowadzącedo powstawania mutacji genowych.Enzymy biorące udział w procesach reperacji DNA kodowane są przez wiele genów. Mutacje w tych genach, powodujące wytwarzanie nieaktywnych encymów reperacyjnych, powodują zwiększona wrażlinrość komórek na promieniowanie UV. Komórki takich mutantów już przy małych dawkach promieniowania JV giną, podczas gdy szczepy dzikie przeżywają, z powodzeniem reperując powstałe w DNA uszkodzenia. Mutacje w genach kodujacych enzymy reperujące DNA wykryto u bakterii, drożdży, a także i u wyższych organizmów, z człowiekiem włącznie. Znana jest u człowieka choroba dziedziczna zwana Xeroderma pigmentosa, w której promieniowanie UV wywołuje liczne chorobowe zmiany skóry, często prowadzące do powstania raka i do śmierci w pierwszych latach życia. Choroba ta wynika z mutacji w genie kodującym enzym wycinający dimery tyminowe w DNA komórek skóry, powstające tu w wyniku działania promieniowaiia UV. Czynniki mutageniczne sa więc bardzo groźne dla zdrowia ludzkiego i na przykład prześwietlanie się promieniami Roentgena należy ograniczać do minimum, tylko do koniecznych przypadków. Niestety jesteśmy obecnie narażeni na jeszcze inne, bardzo groźne źródło czynników mutagenicznych, jakimi są liczne i różnorodne związki chemiczne o właściwościach mutagenicznych. Związki te przenikając do komórek mogą powodować różnego typu uszkodzenia cząsteczek DNA. Lista poznanych związków mutagenicznych, wywołujacych mutacje indukowane u bakteii, roślin i zwierząt, zawiera już tysiace pozycji i stale wzrasta. Chemiczne związki mutageniczne mogą wpływać na zasady purynowe czy pirymidynowe w DNA, mogą powodować oderwanie zasad od reszty nukleotydu bądź przyłączenie do nich nowych grup
chemicznych, mogą także wpływać na samą deoksyybozę lub też powodować przerywanie łańcuchów polinukleotydowych. Komórki przy użyciu różnych nechanizmów reperacyjnych próbują usuwać zachodzące w DNA zmiany, co często związane jest z powstawaniem mutacji genowych. Cały szereg związków produkowanych w przemyśle
farmaceutycznym czy też związków używanych do konserwacji żywności, czy do walki ze szkodnikami roślin, może również odznaczać się właściwościami nutagenicznymi. Związki te, gromadząc się w wodach, a także w tkankach roślin i zwierzat, mogą poważnie zagrażać ludzkiemu zdrowiu. Obecnie prowadzi się działalność w kierunku usunięcia z produkcji tych związków, które w wyniku badań genetycznych okałały się mutageniczne.Prawie każde uszkodzenie w DNA wywołane działaniem czynników mutagenicznych, fizycznych lub chemicznych, może wywołać mutację. Mutacje te polegaja najczęściej na zamianie w podwójnym heliksie DNA jednej pary nukleotydów na inną lub też mog#polegać na wypadnięciu bądź wstawieniu do DNA jednej czy kilku par nukleotydów. Jak mówiliśmy, zastąpienie w DNA jednej pary nukleotydów inną może spowodować w genie zamianę jednego kodonu na drugi oznaczający inny aminokwas i wobec tego po translacji będzie powstawał polipeptyd o zmienionym składzie aminokwasowym. Jeszcze bardziej drastyczna zmianę w białku wywoła mutacja, która spowoduje zamianę kodonu oznaczającego jakiś aminokwas na kodon nonsensowny oznaczający sygnał zakończenia translacji. Wtedy zamiast całego łańcucha polipeptydowego powstanie tylko jego fragment, gdyż powstały w środku zapisu o białku znak zatrzymania translacji spowoduje przedwczesne zakończenie syntezy polipeptydu.Dodanie czy wypadnięcie w obrębie genu jednego nukleotydu powoduje, iż od tego miejsca wszystkie następne trójki nukleotydów, czyli kodony, będą podczas translacji odczytywane niewłaściwie. Wobec tego w syntetyzowanych polipeptydach od miejsca mutacji będą właczane zupełnie inne aminokwasy.Mutacje genowe sa głównym źródłem powstawania nowych alleli genów i odgrywają istotną rolę w powstawaniu zmienności w organizmach; były i są również podstawą zmian ewolucyjnych, które zachodziływ historii życia na Ziemi.
5.7.3.2.
Mutacje chromosomowe
Chromosomy, w okresie poprzedzającym każdą mejozę, a także i podziały mitotyczne, podlegaja wraz z DNA replikacji, dzięki czemu w komórkach jednego osobnika, a także u wszystkich osobników jednego gatunku chromosomy występuja na ogół w tej samej liczbie i maja tę samą strukturę. Przejawia się to stałością położenia i kolejności ułożenia genów w poszczególnych chromosomach. Gdyby struktura chromosomów ulegała stałym zmianom, to mapowanie genów w chromosomach w ogóle byłoby niemożliwe. Podobnie jak replikacja DNA, zarówno replikowanie chromosomów, jak i ich rozdzielanie do komórek potomnych nie są całkowicie bezbłędne. Samorzutnie lub pod wpływem różnych czynników mutagenicznych chromosomy mogą na przykład pękać. Jeśli w jednym ramieniu chromosomu nastąpi poprzeczne pęknięcie to powstanie chromosom z centromerem i jednym krótszym ramieniem oraz fragmęt chromosomu bez centromeru a więc nie zdolny do przesuwania się wzdłuż wrzeciona podziału
mitptycznego. Taki fragment w czasie mitozy może zostać zgubiony i wówczas powstaje mutacja chromosomowa zwana delecją czyli ubytkiem części chromosomu oczywiście wraz z zawartymi w niej genami. Dla organizmu może to wywołać fatalne skutki. Podobnie jak przy mutacjach genowych istnieje w komórkach cały system enzymatyczny reperujący pęknięcia chromosomowe i odtwarzający z powrotem cały chromosom. Czasami w procesie reperacji pęknięć chromosomów następuja błędy i na przykład oderwany fragment chromosomu zostaje przyłączony do innego niehomologicznego chromosomu. Powstaje wówczas mutacja chromosomowa zwana translokacją, w wyniku której odcinek jednego chromosomu zostaje oderwany od niego i przyłączony do drugiego odrębnego chromosomu. Może też powstać mutacja zwana duplikacją, gdy w tym samym chromosomie dwa identyczne odcinki występują obok siebie. Wtedy oczywiście i geny, znajdujące się w tych odcinkach, występują w jednym chromosomie w dwóch kopiach leżących obok siebie. Wreszcie, gdy w jednym chromosomie powstaną dwa pęknięcia, to może się zdarzyć, że fragment chromosomu leżący między tymi dwoma pęknięciami może się ponownie połaczyć z resztą chromosomu, ale w pozycji odwróconej. Taka mutacja chromosomu nazywa się inwersją i powoduje, że geny w chromosomie objętym inwersją występują w odwrotnej kolejności niż w chromosomie normalnym.Wszystkie te mutacje zmieniają strukturę chromosomów i powodują zmiany w liniowym ułożeniu genów wzdłuż chromosomów. Powstają one stosunkowo rzadko jako mutacje spontaniczne, w wyniku różnych błędów przy replikacji i rozdzielaniu chromosomów podczas podziałów mitotycznych. Wszystkie te czynniki mutageniczne, które wywołuja pękanie łańcuchów DNA i chromosomów, zwiększają znacznie częstość pojawiania się tych mutacji.Przy krzyżowaniu osobników z różnymi zmianami strukturalnymi w chromosomach powstają mieszańce, u których w procesie mejozy zachodzą liczne zaburzenia na skutek niepełnej homologiczności chromosomów rodzicielskich. W wyniku tych zaburzeń powstają niezdolne do życia gamety, co powoduje obniżona płodność takich mieszańców.Inną kategorię mutantów chromosomowych stanowią osobniki o zmienionej liczbie chromosomów. Stata liczba chromosomów dla danego gatunku, haploidalna (n) i diploidalna (2n), wynika z równego podziału zreplikowanych chromosomów w czasie mitozy, gdy siostrzane chromosomy są rozdzielane do dwóch biegunów komórek przez wrzeciono podziatowe. W czasie rozdziału chromosomów potomnych zarówno w mitozie, jak i mejozie zachodzą zaburzenia. Na przykład jedna para chromosomów siostrzanych zamiast być
rozdzielona do dwóch jąder przechodzi w całości do jednego jądra. Wtedy powstają komórki o liczbie chromosomów 2n+1,w których oprócz normalnych par chromosomów homologicznych jeden typ chromosomu występuje w ilości potrójnej. Osobniki posiadające taki skład chromosomalny w swych komórkach nazywamy trisomikami.U człowieka liczba diploidalna chromosomów wynosi 2n=46. Z częstością około jednego wypadku na 600 urodzin przychodzą na świat niemowlęta o liczbie chromosomów 2n = 47, a więc z jednym dodatkowym
chromosomem. Jak wykazały badania cytologiczne, jest to chromosom z 21 pary chromosomów ludzkich. Ludzie z dodatkowym chromosomem 21 wykazują cały szereg poważnych zaburzeń fizycznych i psychicznych. Sa to osobniki umysłowo niedorozwinięte, a ze względu na
charakterystyczne zmiany twarzy, zwane są powszechnie mongoloidami; w języku lekarskim choroba ta nazwana jest zespołem Downa. Jest to choroba nieuleczalna, wynikająca z obecności dodatkowego chromosomu 21 pary. Wykazano, że im matka jest starsza,tym większe jest prawdopodobieństwo urodzenia przez nią mongoloida. Widocznie wraz z wiekiem matki zwiększa się u niej prawdopodobieństwo zaburzeń w podziałach mejotycznych w czasie oogenezy. W wyniku nierozejścia się 21 pary chromosomów w mejozie, powstają komórki jajowe o liczbie chromosomów n+ 1, które po zapłodnieniu plemnikiem z normalną liczbą chromosomów n wytworzą zygoty o 2n+1 liczbie chromosomów. Najbardziej skrajną mutacją dotyczacą liczby chromosomów będzie przypadek, gdy w mitozie chromosomy po replikacji nie rozejdą się w ogóle i wszystkie znajdą się w jednym jądrze. Takie jądro,jeśli miało 2n chromosomów, to po replikacji chromosomów będzie posiadało 4n chromosomów. Powstanie więc komórka poliploidalna, w tym przypadku tetraploidalna, o czterech zespołach chromosomów homologicznych.Jeśli analogiczny proces zajdzie przy podziałach mejotycznych, to na skutek nierozejścia się chromosomów powstanie gameta o niezredukowanej liczbie chromosomów 2n. Gdy gameta o liczbie chromosomów 2n zostanie zapłodniona gametą o normalnej liczbie chromosomów n, to powstanie zygota triploidalna, o liczbie chromosomów 3n.Przyczyną powstania poliploidów jest brak rozdziału chromosomów w podziałach mitotycznych bądź mejotycznych. Wszystkie czynniki uszkadzające wytwarzanie się i funkcjonowanie wrzeciona podziałowego w mitozie czy w mejozie będą powodowały powstawanie mutantów poliploidalnych. Na przykład alkaloid kolchicyna jest czynnikiem chemicznym dezorganizujacym wrzeciono podziałowe i jest używany do wywoływania mutacji poliploidalnych głównie u roślin.Mutacje poliploidalne odegrały bardzo istotną rolę w ewolucji roślin. Liczne gatunki roślin dziko rosnacych i uprawnych, jak na przykład pszenica, tytoń, ziemniaki i wiele innych, są to poliploidy powstałe z podwojenia liczby chromosomów. Oczywiście poliploidalność wpływa na właściwości użytkowe roślin, a także i na segregację genów, co musi być uwzględniane w hodowli roślin poliploidalnych.
5.8.
Zmienność cech ilościowych
Badania nad naturą zmienności dziedzicznej i niedziedzicznej, jak i zależności wykształconego fenotypu od wyposażenia genetycznego i od wszelkich czynników zewnętrznych działających na rozwój rośliny czy zwierzęcia,mają podstawowe znaczenie w hodowli roślin i zwierząt. W procesie udoskonalania cech użytkowych (np.nieśność kur, wysokość plonu zboża, mleczność krów) metodami hodowlanymi musimy wiedzieć, w jakim stopniu obserwowana zmienność danej cechy wynika z genotypu, a w jakim zależy od czynników
środowiska.Dotychczas rozpatrywaliśmy zmienność dotyczacą tak zwanych cech jakościowych, jak np. barwy nasion czy kwiatów grochu, lub barwy oczu Drosophila. Są to cechy stosunkowo łatwe do badania, bo zależą często od jednego lub zaledwie kilku genów. Gdy badamy ich dziedziczenie w pokoleniach mieszańców, to powstają odrębne dobrze rozgraniczone kategorie fenotypów, na przykład o białej bądź czerwonej barwie kwiatów, jak w doświadczeniu Mendla. Cechy jakościowe zależą prawie wyłącznie od genotypu osobnika i tylko w nieznacznym stopniu są modyfikowane warunkami środowiska.Niestety, prawie wszystkie właściwości organizmów, które są istotne dla hodowcy, gdyż decydują o wartości użytkowej roślin i zwierząt, sa to cechy ilościowe (mierzalne). Wzrost czy masa osobnika, plon zboża, procent tłuszczu w mleku i inne podobne cechy nazywamy cechami ilościowymi. Cechy te wykazuja zmienność ciagłą np. od najwyższego osobnika do najniższego poprzez wszystkie możliwe wymiary pośrednie. Trudno jest podzielić osobniki w pokoleniach mieszańcowych na rzeczywiście odrębne klasy wzrostu. Wynika to z dwóch przyczyn. Po pierwsze, cechy ilościowe, mimo że podobnie jak cechy jakościowe są uwarunkowane genami, to liczba
współdziałających genów w wytwarzaniu cechy ilościowej jest znacznie większa niż przy cechach jakościowych. Poza tym cechy ilościowe są uwarunkowane między innymi tak zwanymi genami addytywnymi, czyli kumulatywnymi. Każdy gen addytywny ma swój wpływ na wykształcenie cechy ilościowej, a osiagany efekt przejawiajacy się w postaci danej cechy ilościowej jest wynikiem sumowania się efektów działania genów addytywnych.Druga właściwościa utrudniająca badanie cech ilościowych jest ich wielka plastyczność i złożona zależność od różnych warunków środowiska, w których rozwija się organizm. Wynika to zapewne z wielkiej złożoności genetycznej tych cech zależnych m.in. od wielu genów addytywnych.Wydajność różnych odmian roślin czy też ras zwierzat pod względem badanej cechy jest ograniczona składem genetycznym i wykazuje pewien górny pułap, którego nawet w najlepszych warunkach nawożenia i uprawy gleby i przy najbardziej racjonalnym żywieniu i chowie zwierzęcia niemożna przekroczyć. W najlepszym razie można najwyżej osiągnąć górne możliwości wyznaczone danym składem genetycznym; dalsze zwiększanie nawożenia czy żywienia i innych zabiegów pielęgnacyjnych nie podwyższy wydajności.Celem hodowli nowych odmian roślin i zwierzat użytkowych jest zwiększenie ich wydajności a to przez otrzymanie nowych kombinacji genów addytywnych jako efektu wielorazowego krzyżowania i selekcji.Proces wytwarzania nowej odmiany przez krzyżowanie i selekcję jest zwykle długi, wymaga wielu licznych pokoleń i stałego testowania osobników w różnych warunkach uprawy czy chowu. Przed doborem poszczególnych osobników do rozmnażania w następnych pokoleniach, wybieramy osobniki najlepsze pod względem interesującej nas cechy orientując się przy tym, w jakim stopniu zmienność tej cechy jest uzależniona segregacją genów addytywnych, a w jakim stopniu wynika jedynie z jej dużej plastyczności pod wpływem wszelkich zewnętrznych, niedziedzicznych czynników. Dla każdej cechy badanej można na podstawie specjalnych metod statystycznych określić jej odziedziczalność. Jest to stosunek zmienności genetycznej (addytywnej), będącej efektem działania genów addytywnych, do całej zmienności fenotypowej, który można wyrażać liczbowo, np. w %. Wartość odziedziczalności danej cechy wskazuje hodowcom na to, w jakim stopniu zależy ona od założeń dziedzicznych, czyli genotypu osobnika. Rozróżniamy cechy nisko i wysoko odziedziczalne. Do cech nisko odziedziczalnych zaliczana jest np. plenność owiec - średnia wartość odziedziczalności tej cechy wynosi 12%, natomiast do cech wysoko odziedziczalnych zaliczamy procentową zawartość tłuszczu w mleku krowim - średnia wartość odziedziczalności wynosi 54%. Wartość odziedziczalności zawiera się w granicach od 1 do 100%.Jak wiemy, hodowla zwierząt i roślin odniosła i odnosi wielkie sukcesy i dzięki niej zwiększa się wydajność roślin i zwierząt. Należy jednak pamiętać, że nie można udoskonalać cechy użytkowych w nieskończoność, istnieją bowiem fizjologiczne granice możliwości roślin i zwierzat, których przy pomocy obecnych metod hodowlanych nie jesteśmy w stanie
przekroczyć, jak np. ilość sztuk w miocie, przyrosty masy ciała. Ponadto, jeżeli dana cecha zostanie utrwalona w populacji na jednym poziomie (niekorzystne zjawisko z hodowlanego punktu widzenia), to wszystkie genotypy osobników będą na tyle do siebie podobne, że nie będzie możliwości wyboru (selekcji) lepszych czy gorszych. 0 takiej populacji mówimy, że osiągnęła tzw. pułap selekcyjny.