5.1.
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 określonej 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
wjego 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.
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
Choroby genetyczne notatkaChoroby genetyczne notatkaGenetyka molekularna notatka na kolokwiumnotatki zagadnienia00 Notatki organizacyjneFilozofia religii cwiczenia dokladne notatki z zajec (2012 2013) [od Agi]zmiana genetycznanotatki tw 5więcej podobnych podstron