Twórcą podstawowych reguł dziedziczenia był Grzegorz Mendel (1822-1884), czeski zakonnik i przeor klasztoru Augustianów w Brnie na Morawach. W 1866 r. opublikował on wyniki swoich wieloletnich badań nad dziedziczeniem cech u roślin, przede wszystkim u grochu zwyczajnego (Pisum sativum). Na podstawie tych wyników wysnuł wniosek, że dziedziczenie polega na przekazywaniu potomstwu materialnych czynników, które nazwał zawiązkami cech. Zawiązki w jakiś bliżej nieznany sposób określały postać cech, inaczej mówiąc, były ich determinantami. Dziś wiemy, że mendlowskie zawiązki to geny - leżące jeden za drugim odcinki DNA. Geny niosą informację o budowie białek. Białka z kolei, jako enzymy, czynniki regulatorowe lub elementy strukturalne komórek, wpływają bezpośrednio na postać cech (np. kolor oczu, grupę krwi itd.). Mendel postulował, że każda cecha jest określana przez parę zawiązków (genów), z których jeden pochodzi od ojca, a drugi od matki. Geny w parze mogą być albo identyczne, albo nieco się od siebie różnić. Jeśli się od siebie różnią, efekt jednego z nich - dominującego - maskuje efekt drugiego - recesywnego. Skoro każda cecha organizmu jest określana przez parę genów, tj. przez gen od ojca i gen od matki, musi istnieć mechanizm umożliwiający rozdział genów w parze w trakcie wytwarzania męskich i żeńskich komórek płciowych. Chodzi o to, by gameta zawierała jeden i tylko jeden gen z każdej pary. W przeciwnym razie w każdym kolejnym pokoleniu liczba genów by się podwajała. Proponując istnienie takiego mechanizmu. Mendel nic nie wiedział o procesie mejozy - czyli podziale redukcyjnym jądra, który - jak dziś wiemy - poprzedza wytwarzanie gamet.
Odkrycia Mendla zauważono, a ich przełomowe znaczenie zrozumiano dopiero w 1900 r., tzn. szesnaście lat po jego śmierci. Kluczowe znaczenie reguł Mendla dla analizy dziedziczenia ilustrują następne podrozdziały.
Podstawowym sposobem rozmnażania u większości zwierząt i roślin jest rozmnażanie płciowe. Jak
pamiętamy, w diploidalnych komórkach tych organizmów występują dwa zestawy chromosomów: ojcowski
i matczyny. Są to zestawy homologiczne, co oznacza, że chromosomy jednego rodzica dokładnie
odpowiadają chromosomom drugiego, choć nie są ich identycznymi kopiami. Każdy z chromosomów
komórki diploidalnej ma więc partnera, z którym tworzy tzw. parę chromosomów homologicznych. W wyniku podziału redukcyjnego jądra komórkowego - mejozy -chromosomy homologiczne się rozdzielają. Powstają haploidalne komórki płciowe - gamety, które zawierają połowę liczby chromosomów obecnych we wszystkich pozostałych, diploidalnych komórkach organizmu, czyli tzw. komórkach somatycznych. Po zapłodnieniu, które polega na połączeniu się gamety męskiej z gametą żeńską w zygotę, następuje odtworzenie diploidalnej liczby chromosomów. Oba chromosomy w parze mają dokładnie taką samą budowę fizyczną (tj. długość całkowitą, długość ramion, kształt; i taki sam układ genów. Każdy gen w komórce jest więc reprezentowany przez dwie kopie: ojcowską i matczyną. Pozycja zajmowana przez gen w chromosomie nosi nazwę locus, co w łacinie oznacza miejsce. Geny zajmujące odpowiadające sobie pozycje w chromosomach homologicznych mogą być albo identyczne, albo nieco się od siebie różnić. Różnice polegają na niewielkich zmianach w sekwencji DNA i mogą wpływać na cechę, którą dany gen determinuje. Różne postacie tego samego genu nazywamy allelami.
Zbiór wszystkich alleli zawartych w DNA organizmu nazywamy jego genotypem. Genotyp
charakteryzuje organizm na poziomie genów. Jeśli w organizmie diploidalnym w danym locus
występują identyczne allele, mówimy, że jest on w odniesieniu do tego genu homozygotą. Jeśli allele
w danym locus się różnią - organizm w odniesieniu do tego genu jest heterozygotą
Uwarunkowane przez genotyp cechy organizmu, które ujawniają się w danym środowisku, nazywamy
fenotypem (fenotyp w dosłownym tłum. z grec: postać, która się ujawnia).
Ujmując to inaczej, można powiedzieć, że genotyp jest zapisem fenotypu zawartym w DNA. Aby jednak zapis w DNA mógł być zrealizowany, potrzebne są bardzo skomplikowane mechanizmy (niektóre z nich, np. procesy transkrypcji i translacji, umożliwiające powstawanie białek, poznaliśmy w poprzednich rozdziałach). W kształtowaniu ostatecznej postaci organizmu, czyli jego fenotypu, bardzo ważne są relacje między allelami w tym samym locus, oddziaływanie między produktami różnych genów, a także oddziaływania między genami a środowiskiem. Spośród dwóch różnych alleli w danym locus, jeden może być dominujący, a drugi recesywny. Allel określamy jako dominujący, jeśli determinowana przezeń cecha ujawnia się fenotypowo, niezależnie od tego, czy w locus występuje on w postaci homozygoty, czy heterozygoty. Cecha determinowana przez allel recesywny ujawnia się natomiast tylko wtedy, gdy występuje on w postaci homozygoty. Oznacza to, że allel dominujący zawsze maskuje efekt fenotypowy allelu recesywnego. Jak już wspomnieliśmy, występowanie zjawisk dominacji i recesywności odkrył Mendel. Zestawienie najważniejszych terminów genetycznych, z którymi się dotąd zapoznaliśmy, znajduje się w tabeli
Tabela
Zestawienie najważniejszych terminów genetycznych
|
Termin |
Znaczenie |
|
GEN |
podstawowa jednostka dziedziczenia przekazywana potomstwu przez rodziców li odcinek DNA znajdujący się w chromosomie |
|
ALLELE |
różniące się nieco od siebie (alternatywne) postacie genu, zajmujące ten sam locus w chromosomach homologicznych |
|
LOCUS |
miejsce zajmowane przez konkretny gen w chromosomie |
|
HOMOZYGOTĄ |
organizm diploidalny, mający (w odniesieniu do konkretnego genu) identyczne allele w obu chromosomach homologicznych, tj. w chromosomie od ojca i w odpowiadającym mu chromosomie od matki |
|
HETEROZYGOTĄ |
organizm diploidalny, mający (w odniesieniu do konkretnego genu) różne allele w chromosomie od ojca i w chromosomie od matki |
|
GENOTYP |
zestaw wszystkich alleli zawartych w DNA organizmu |
|
FENOTYP |
zestaw charakterystycznych cech organizmu, będący zewnętrznym wyrazem (produktem ekspresji) genotypu |
|
DOMINACJA ALLELU |
przejawianie się w fenotypie cechy determinowanej przez allel niezależnie od tego, czy występuje on w stanie homozygotycznym czy heterozygotycznym |
|
RECESYWNOSC ALLELU |
przejawianie się w fenotypie cechy determinowanej przez allel tylko wtedy, gdy występuje on w stanie homozygotycznym |
Podsumowanie
Genetyka, dziedzina badająca dziedziczenie cech i przyczyny zmienności organizmów, opiera się na odkryciach dokonanych w XIX w. przez Grzegorza Mendla oraz na ustaleniach współczesnej biologii molekularnej dotyczących budowy i właściwości substancji dziedzicznej (DNA),
Dziś wiemy, że postulowane przez Mendla zawiązki cech to geny - odcinki DNA, w których jest zapisana informacja o budowie białek.
Geny w DNA są ułożone liniowo (jeden za drugim). Miejsce zajmowane przez gen w chromosomie określamy jako locus.
Suma wszystkich alleli w DNA danego organizmu stanowi jego genotyp. Suma wszystkich zewnętrznych i wewnętrznych cech organizmu, czyli jego wygląd i sposób funkcjonowania stanowi fenotyp
Zrozumienie sposobu dziedziczenia cech jest możliwe dzięki analizie procesu rozmnażania płciowego.
Dorosłe osobniki roślin kwiatowych i zwierząt są diploidalne - mają dwa zestawy chromosomów: od ojca i od matki.
Odpowiadające sobie chromosomy od ojca i od matki noszą nazwę chromosomów homologicznych.
W każdej komórce organizmu diploidalnego występują po dwie kopie każdego genu: ojcowska i matczyna. Kopie te mogą być takie same (organizm jest wtedy homozygotą w danym genie) lub nieco się różnić (organizm jest wtedy heterozygotą w danym genie).
Odmiany tego samego genu określa się mianem alleli.
Allele mogą być dominujące (jeśli przejawiają się fenotypowo także w stanie heterozygotycznym) lub recesywne (jeśli przejawiają się fenotypowo tylko w stanie homozygotycznym). W wyniku podziału redukcyjnego jądra komórkowego - mejozy - chromosomy homologiczne się rozdzielają. Powstają haploidalne komórki płciowe - gamety - które zawierają połowę liczby chromosomów obecnych we wszystkich pozostałych, diploidalnych komórkach organizmu.
1.3. Dziedziczenie jednej pary cech przeciwstawnych (krzyżówka jednogenowa)
Dziedziczenie cechy wysokości u grochu
Opis sposobów dziedziczenia cech rozpoczniemy od najprostszego przykładu. Jest nim dziedziczenie alleli jednego genu zwane też dziedziczeniem jednogenowym lub krzyżówką jednogenowa. Klasycznym przykładem jest doświadczenie Mendla, przeprowadzone w celu ustalenia sposobu dziedziczenia cechy wysokości u grochu zwyczajnego (Pisum sativum). Cecha ta zależy od jednego genu. Groch jest rośliną obupłciową, co oznacza, że w jego kwiatach znajdują się zarówno męskie, jak i żeńskie organy płciowe. Aby uniknąć samozapylenia, wystarczy w odpowiednim momencie usunąć z kwiatu pręciki. Taki kwiat można łatwo zapylić sztucznie, przenosząc na znamię słupka pyłek pobrany z innej rośliny. Doświadczenie miało na celu zbadanie wyniku krzyżówki między rośliną wysoką a rośliną niską. Każda z użytych do tego krzyżowania roślin pokolenia rodzicielskiego (oznaczanego symbolem P - od łac. pare-tes, co znaczy rodzice) reprezentuje w odniesieniu do analizowanej cechy wysokości tzw. czystą linię genetyczną. Oznacza to, że potomstwo powstające w wyniku samozapylenia kwiatów roślin rodzicielskich jest zawsze takie samo jak roślina rodzicielska: potomstwo rodzica wysokiego jest zawsze wysokie, a potomstwo rodzica niskiego jest zawsze niskie. Dzieje się tak dlatego, że każdy z rodziców jest homozygotą (ma dwa takie same allele) w genie warunkującym cechę wysokości.
W wyniku krzyżówki roślin rodzicielskich uzyskujemy pierwsze pokolenie mieszańców (oznaczane symbolem F1 - od łac. filiae, co znaczy synowski). Wszystkie rośliny tego pokolenia są wysokie, reprezentują więc cechę tylko jednego z rodziców. Następnym krokiem jest skrzyżowanie ze sobą roślin pokolenia F1. Można to zrobić w dwojaki sposób: usuwając pręciki z kwiatów jednej rośliny i zapylając ją sztucznie pyłkiem z innej rośliny, lub pozwalając, by rośliny pokolenia F1 uległy samozapyleniu. Rośliny uzyskane w wyniku tej krzyżówki stanowią pokolenie F2 zwane drugim pokoleniem mieszańców. W pokoleniu F2 ponownie pojawia się cecha niskiego wzrostu, występuje ona jednak tylko u 1/4 wszystkich roślin. Pozostałe 3/4 roślin pokolenia F2 są roślinami wysokimi.
Aby zrozumieć, co jest przyczyną takiego sposobu dziedziczenia cechy wysokości, wystarczy zastosować wygodną formę oznaczania alleli za pomocą liter. Allele przyjęto zapisywać za pomocą wielkich i małych liter. Wielką literą zapisujemy allel dominujący, a małą - allel recesywny. Gen warunkujący wysokość może być w chromosomie reprezentowany przez jeden z dwóch alleli. Genotyp rośliny rodzicielskiej (czystej linii) o fenotypie wysokim zapiszemy jako WW. Oznacza to, że w każdym z chromosomów homologicznych, zawierających gen wysokości, ten gen jest reprezentowany przez allel W. Genotyp rośliny rodzicielskiej (czystej linii) o fenotypie niskim zapiszemy jako ww. Oznacza to, że w każdym z chromosomów homologicznych zawierających gen wysokości, ten gen jest reprezentowany przez allel w. Wiemy, że w gametach może się znaleźć tylko jeden z chromosomów homologicznych tworzących parę, a więc albo matczyny, albo ojcowski, nigdy oba na raz. Proces zapłodnienia przywraca stan sprzed mejozy. W wyniku połączenia się gamet męskiej i żeńskiej, w jądrze znowu pojawiają się pary chromosomów homologicznych. Prześledźmy teraz, co w tym czasie się działo z allelami konkretnego genu, w tym wypadku genu warunkującego wysokość grochu. W trakcie mejozy i następującego po niej zapłodnienia allele danego genu zachowują się dokładnie tak jak chromosomy. Najpierw się rozdzielają, a następnie łączą. Wyniki krzyżówki możemy więc zapisać za pomocą poznanego już sposobu. Zapisanie krzyżówki w taki właśnie sposób bardzo ułatwia analizę związku między genotypem a fenotypem. Przyjrzyjmy się uważnie losom genów w naszej krzyżówce. Rodzice są homozygotami ze względu na gen wysokości. W tym pokoleniu roślina wysoka ma genotyp WW, a roślina niska ma genotyp ww. Każde z rodziców wytwarza gamety męskie i żeńskie tylko jednego rodzaju: roślina wysoka - gamety o genotypie W, roślina niska - gamety o genotypie w. Rośliny pierwszego pokolenia mieszańców mogą więc mieć tylko jeden genotyp: Ww. Są one heterozygotami za względu na gen wysokości. Z faktu wykazywania przez nie fenotypu wysokiego wzrostu wynika, że allel W, determinujący wzrost wysoki, jest dominujący w stosunku do allelu w, warunkującego wzrost niski. Samozapylenie roślin pokolenia F1 o genotypie Ww prowadzi do wytworzenia pokolenia F2. w którym pojawiają się rośliny zarówno wysokie, jak i niskie. Dlaczego tak się dzieje? W wypadku heterozygoty połowa gamet żeńskich ma genotyp W, a połowa w. To samo dotyczy gamet męskich. Oznacza to, że w wyniku zapłodnienia mogą powstać wszystkie kombinacje gamet, a więc: WW, Ww i ww. Ze względu na dominujący charakter allelu W, rośliny wysokie mogą mieć genotyp homozygoty WW albo heterozygoty Ww, natomiast rośliny niskie mogą mieć tylko genotyp homozygoty ww. Przewidywanie wyników poszczególnych etapów omawianej krzyżówki stanie się jeszcze prostsze, jeśli nauczymy się posługiwać tak zwaną szachownicą (lub kwadratem) Punnetta (od nazwiska angielskiego genetyka - R. C. Punnetta). Jest to szachownica, na której dwóch krawędziach wypisujemy genotypy gamet wytwarzanych przez rodziców. Prosta zasada umożliwia natychmiastowe odczytanie genotypów potomstwa i ustalenie, w jakich proporcjach występują. W wypadku dziedziczenia jednogenowego, w sytuacji, gdy jeden z alleli jest dominujący, stosunek fenotypów dominujących do recesywnych w pokoleniu F2 wynosi 3:1.
Krzyżówka jednogenowa i reguła czystości gamet (pierwsze prawo Mendla)
Jeśli chcemy zrozumieć, jak wielkim osiągnięciem naukowym były wyniki Mendla, musimy wczuć się w jego położenie. Mendel wykonywał swoje doświadczenia nad dziedziczeniem w czasach, kiedy nikt nie przypuszczał, że mogą istnieć geny. Co więcej, nic nie słyszano również o chromosomach. Nikt też nie wiedział, jak należy planować i przeprowadzać doświadczenia genetyczne. Niewątpliwie ogromnym osiągnięciem Mendla było ustalenie, że do doświadczeń nad dziedziczeniem należy używać czystych linii. Tylko wtedy uzyskiwane wyniki są czytelne i mogą być poprawnie zinterpretowane.
Nie mniejszym osiągnięciem było zastosowanie przez Mendla analizy statystycznej. Skrupulatnie liczył on i zapisywał wyniki wielu krzyżówek (obejmowały one dane dotyczące setek roślin), a następnie szczegółowo badał stosunki ilościowe między potomstwem o różnych fenotypach. Porównując wyniki uzyskiwane dla niezależnych krzyżówek, mógł ocenić, wokół jakich wartości średnich te stosunki oscylują. Było to podstawą do formułowania wniosków odnoszących się do ogólnych reguł dziedziczenia. Analiza danych dotyczących krzyżówek jednogenowych doprowadziła Mendla do odkrycia zasady dominacji i recesywności, a także do sformułowania reguły czystości gamet, znanej także jako pierwsze prawo Mendla. Reguła ta stwierdza, że w gametach allele tego samego genu nawzajem się wykluczają, co oznacza, że gameta może zawierać tylko jeden allel danego genu.
Krzyżówka testowa
W pokoleniu F2, otrzymanym w krzyżówce rośliny WW (homozygoty dominujące) i Ww (heterozygoty) mają identyczny fenotyp - są wysokie. Jak odróżnić ich genotypy? W celu stwierdzenia, czy mamy do czynienia z heterozygotą, czy z homozygotą, musimy wykonać krzyżówkę, którą określa się mianem krzyżówki testowej. Polega ona na skrzyżowaniu organizmu pokolenia F2 (w naszej krzyżówce: rośliny grochu o dominującym fenotypie wysokiego wzrostu) z organizmem rodzicielskim będącym homozygotą recesywną (w naszej krzyżówce: niskie rośliny o genotypie ww). Wynik krzyżówki testowej wskazuje od razu, czy badana wysoka roślina pokolenia F2 była homozygotą, czy heterozygotą. Jeśli w potomstwie pojawiają się wyłącznie rośliny wysokie, to znaczy, że mieliśmy do czynienia z homozygotą WW. Natomiast, jeśli w potomstwie pojawiają się rośliny zarówno wysokie, jak i niskie, to to oznacza, że badana roślina była heterozygotą Ww.
Oczekiwane stosunki fenotypów wśród potomstwa (stosunki mendlowskie) a prawdopodobieństwo
Analizując wyniki krzyżówek genetycznych, musimy pamiętać, że przewidywanie - na podstawie znajomości zasady dominacji i reguły czystości gamet - stosunków liczbowych różnych fenotypów w potomstwie danej pary rodziców, czyli przewidywanie tzw. stosunków mendlowskich (np. stosunku 3:1 roślin wysokich do niskich w pokoleniu F2 jest oparte na prawdopodobieństwie. Stosunek roślin wysokich do niskich w tej krzyżówce będzie tym bliższy stosunkowi 3:1, im większą liczbę potomstwa będziemy analizować. Z analogiczną sytuacją mamy do czynienia przy rzucaniu monetą. Stosunek liczby wyrzucanych „orłów" do liczby wyrzuconych „reszek" będzie tym bliższy stosunkowi 1:1 (oczekiwanym na podstawie prawdopodobieństwa), im więcej razy rzucimy monetą. Jeśli rzucimy tylko 2 razy, może się zdarzyć, że w obu rzutach wypadnie orzeł. Jeśli liczbę rzutów zwiększymy do 20, stosunek „orłów" do „reszek" będzie na pewno bliższy oczekiwanemu stosunkowi 1:1. To samo się odnosi do stosunków fenotypów potomstwa w krzyżówce genetycznej, czyli tzw. stosunków mendlowskich. Jeśli w wyniku krzyżowania dwóch roślin - heterozygot Ww - uzyskamy tylko cztery rośliny potomne, to nie zawsze będą to trzy rośliny wysokie i jedna niska. Znajomość stosunków mendlowskich pozwala nam jednak zawsze przewidzieć prawdopodobieństwo danego wydarzenia. W wypadku analizowanej krzyżówki heterozygot Ww (Ww x Ww), prawdopodobieństwo pojawienia się w potomstwie rośliny niskiej, tj. rośliny o genotypie ww. wynosi 1/4 (0,25), czyli 25%. Możliwość określenia prawdopodobieństwa wystąpienia konkretnego fenotypu ma szczególne znaczenie w odniesieniu do ludzi, którzy zwykle mają niewielką liczbę potomstwa. Jeśli na przykład oboje rodzice są heterozygotami w odniesieniu do pewnego rzadkiego genu X (oboje mają genotypy Xx), który w postaci recesywnej homozygoty (xx) decyduje o pojawieniu się groźnej choroby, to wiemy, że prawdopodobieństwo urodzenia chorego dziecka u tej pary wynosi 25%. Ponieważ każde narodziny są wydarzeniem niezależnym, przedstawione prawdopodobieństwo odnosi się do każdego dziecka tych rodziców. Innymi słowy, jeśli pierwsze dziecko urodziło się chore, prawdopodobieństwo, że drugie będzie chore, wynosi nadal 25%.
Czarne lub brązowe umaszczenie świnki morskiej zależy od jednego locus genowego. Mogą w nim występować dwa rodzaje alleli: dominujący B i recesywny b. Homo-zygota BB jest czarna, homozygota bb jest brązowa.
1.4. Analiza rodowodów
Rodowód to historia danego organizmu uwzględniająca jego pochodzenie, stosunki pokrewieństwa i następstwo pokoleń. W biologii rodowód zazwyczaj pokazuje się w sposób graficzny w postaci drzewa. W genetyce drzewo rodowe pozwala na śledzenie sposobu dziedziczenia jakiejś konkretnej cechy (lub cech) w ciągu kolejnych pokoleń. Rodowody w genetyce przedstawia się zwykle w postaci schematu, w którym osobniki żeńskie są oznaczone kółkami, a osobniki męskie - kwadratami. Pozioma linia łącząca dwa osobniki oznacza krzyżowanie. Kolejne pokolenia są oznaczone liczbami rzymskimi, a kolejne osobniki w pokoleniu - liczbami arabskimi. Różne kolory kółek lub kwadratów oznaczają odmienne fenotypy. Analiza rodowodów jest szczególnie przydatna w badaniach nad dziedziczeniem cech u człowieka. Z oczywistych względów w genetyce człowieka nie można stosować takich samych metod, jak w badaniach prowadzonych na grochu czy muszkach owocowych, np. doboru rodziców pod względem określonych cech, krzyżowania między rodzeństwem lub krzyżówek testowych. Analiza rodowodu jakiejś rodziny jest możliwa tylko wtedy, gdy istnieją w miarę dokładne dane dotyczące jej historii i cech fenotypowych przedstawicieli poszczególnych pokoleń. Po prześledzeniu sposobu dziedziczenia jakiejś cechy w rodzinie będziemy mogli stwierdzić, czy na przykład badana cecha jest determinowana przez allel dominujący (wówczas cecha pojawia się w każdym pokoleniu u jednej lub więcej osób, wykazują ją bowiem wszystkie heterozygoty), czy recesywny (taka cecha pojawia się rzadko, np. raz na kilka pokoleń, ponieważ wykazują ją tylko homozygoty recesywne).
Podsumowanie
Krzyżowanie jednogenowe umożliwia badanie dziedziczenia przeciwstawnych cech determinowanych przez jeden gen (np. gen determinujący wysokość u grochu).
W wyniku krzyżowania homozygot rodzicielskich o przeciwstawnych cechach (tj. homozygoty dominującej z homozygotą recesywną), w pokoleniu F1 pojawiają się wyłącznie heterozygoty o fenotypie określonym przez allel dominujący. W wyniku skrzyżowania osobników F1 (u roślin może to być samozapylenie F1) w pokoleniu F2 pojawiają się osobniki o cechach rodzica będącego homozygotą recesywną (1/4 potomstwa, ale pod warunkiem, że liczba potomstwa F2 jest odpowiednio duża). Wynik ten wskazuje, że w gamecie może się znajdować jeden i tylko jeden allel danego genu. Jest to reguła czystości gamet, czyli pierwsze prawo Mendla.
W celu stwierdzenia, czy osobnik o fenotypie dominującym jest homo-, czy heterozygotą, trzeba wykonać krzyżówkę testową, polegającą na skrzyżowaniu go z homozygotą recesywną w danym genie,
Do badania dziedziczenia cech u ludzi wykorzystuje się analizę rodowodów. Wymaga ona dysponowania możliwie kompletnymi danymi o członkach danej rodziny i ich przodkach.
1.5. Cechy sprzężone z płcią
Wraz z płcią dziedziczą się cechy determinowane przez geny znajdujące się w chromosomach płci. Cechy te określa się jako sprzężone z płcią. Sposób ich dziedziczenia różni się od dziedziczenia cech determinowanych przez inne geny. Większość genów występujących w stosunkowo dużym chromosomie X nie ma bowiem żadnych odpowiedników w niewielkim chromosomie Y. Rodzi to poważne konsekwencje dla mężczyzn. Kobieta, w której genotypie są obecne dwa chromosomy X, ma zawsze do dyspozycji dwa allele każdego znajdującego się w nich genu. Natomiast mężczyzna, który ma pojedynczy chromosom X, dysponuje tylko jednym allelem każdego występującego w nim genu. Pojawienie się w chromosomie X kobiety allelu recesywnego, którego funkcja jest upośledzona w stosunku do funkcji allelu normalnego, nie wywołuje na ogół żadnego negatywnego efektu. Allel recesywny jest bowiem maskowany przez allel dominujący znajdujący się w drugim chromosomie X. Jeśli natomiast allel recesywny pojawi się w pojedynczym chromosomie X mężczyzny, jego negatywny efekt natychmiast się ujawni.
Typowymi przykładami niekorzystnych cech fenotypowych sprzężonych z płcią u człowieka są niektóre choroby, np. hemofilia, daltonizm, dystrofia mięśniowa Duchenne'a.
Determinacja płci u człowieka jest związana z chromosomami X i Y zwanymi chromosomami płci. Występowanie w kariotypie pary XX określa płeć żeńską, a pary XY - płeć męską. Większość genów zawartych w chromosomie X nie ma swoich odpowiedników w niewielkim chromosomie Y Obecność tylko jednej kopii chromosomu X w komórkach mężczyzn powoduje, że znacznie częściej niż kobiety zapadają oni na choroby wywoływane recesywnymi mutacjami w genach umiejscowionych w tym chromosomie (np. hemofilię, daltonizm).
1.6. Odstępstwa od stosunków mendlowskich w krzyżówkach jednogenowych
Dominowanie niezupełne i kodominacja
Odkryte przez Mendla zjawisko dominacji i recesywności alleli nie jest uniwersalne. W wielu wypadkach allele zajmujące ten sam locus nie wykazują ani dominacji, ani recesywności - są jednakowo ważne. Oznacza to, że w heterozygocie fenotypowo przejawiają się efekty obu różniących się alleli. Jeśli wynikiem jest „wymieszanie" określanych przez nie postaci cechy, czyli pojawia się cecha pośrednia, mówimy, że allele takie wykazują dominowanie niezupełne. Przykładem jest dziedziczenie białej i czerwonej barwy kwiatu u wyżlinu. Potomstwo uzyskane ze skrzyżowania rośliny czystej linii o kwiatach białych z rośliną czystej linii o kwiatach czerwonych nie wykazuje barwy kwiatów żadnego z rodziców, czego należałoby oczekiwać w sytuacji, gdyby występowało zjawisko dominacji i recesywności. Okazuje się, że barwa kwiatów w pierwszym pokoleniu potomstwa jest różowa, co jest wypadkową barw rodzicielskich. Dopiero w drugim pokoleniu pojawiają się barwy rodzicielskie, lecz nie w mendlowskim stosunku 3:1. W celu zaznaczenia braku dominacji (recesywności) allele takich genów oznaczamy dużymi literami, np. allel determinujący białą barwę kwiatów jest oznaczony KB, a allel determinujący czerwoną barwę kwiatów - Kc. Zjawisko dominowania niezupełnego spotyka się także u zwierząt, np. w dziedziczeniu barwy piór u niektórych gatunków ptaków. Jeśli u potomstwa heterozygotycznego występuje postać cechy determinowana zarówno przez jeden, jak i przez drugi allel w danym locus, czyli obie postacie cechy niezależnie od siebie, to takie allele nazywamy allelami kodominującymi. Przykładem kodominacji alleli jest dereszowate umaszczenie u koni i bydła. Charakteryzują się one siwymi plamami na szyi, tułowiu i nogach (efekt jednego allelu) na tle jednolitej barwy (efekt drugiego allelu).
1.7. Allele wielokrotne
Analizowane przez nas dotychczas wzory dziedziczenia dotyczyły sytuacji, gdy liczba rodzajów alleli wśród osobników populacji, które mogą się pojawić w danym locus, jest ograniczona do dwóch. Na przykład allel W - determinujący wysoki wzrost u grochu, i allel w - determinujący niski wzrost u grochu, albo allele Bib- determinujące odpowiednio czarne i brązowe umaszczenie świnki morskiej. W rzeczywistości, takie przypadki nie są zbyt częste. Wśród organizmów wchodzących w skład dużej populacji, zwykle spotykamy więcej niż dwa rodzaje alleli genu występującego w danym locus. Oczywiście, pojedynczy osobnik w konkretnym locus nadal będzie miał najwyżej dwa różne allele, chodzi jednak o to, że mogą one reprezentować kilka różnych rodzajów. Na przykład, jeżeli w populacji występują cztery różne allele genu X (oznaczmy je: X1, X2, X3 i X4), to można spotkać takie osobniki, które mają w genotypie: X1X2, X1X3, X1X4, X2X3, X2X4 lub X3X4. Jeżeli liczba różnych alleli danego locus, spotykana wśród osobników populacji, wynosi co najmniej trzy, to takie allele nazywamy allelami wielokrotnymi.
Dobrym przykładem alleli wielokrotnych są allele determinujące główne grupy krwi (ABO) u człowieka. W populacji ludzi występują trzy różne allele determinujące rodzaj antygenu na powierzchni krwinek czerwonych. Oznaczamy je symbolami: IA, IB oraz i°. Allele IA i IB są dominujące, natomiast i° jest allelem recesywnym. Grupa krwi zależy od kombinacji tych alleli w parze występującej u danego człowieka. Zwróćmy uwagę na zjawisko kodominacji (efekty obu alleli ujawniają się u heterozygoty niezależnie od siebie), występujące w wypadku alleli IA oraz IB.
Omawiane dotychczas przykłady dziedziczenia dotyczyły prostej relacji między genem a cechą: konkretny gen determinuje konkretną cechę. Genetycy jednak wykazali, że w wypadku wielu genów relacje te są znacznie bardziej złożone. Dziś wiemy, że u organizmów o złożonej budowie ciała większość genów wpływa nie na jedną, lecz na wiele cech. Dobrym przykładem jest albinizm; brak barwnika spowodowany zmianą w pojedynczym locus (czyli efekt pojedynczego genu) przejawia się w postaci wielu różnych cech fenotypowych: w barwie skóry, włosów czy tęczówki oka. Właściwość polegającą na wywoływaniu przez pojedynczy gen wielu różnorodnych efektów nazywamy plejotropia.
Podsumowanie
Jeśli allele determinujące przeciwstawne postacie cechy (np. białą i czerwoną barwę kwiatu) nie wykazują ani całkowitej dominacji, ani recesywności (zjawisko dominacji niezupełnej), to proporcje fenotypów w potomstwie krzyżówki jednogenowej nie będą odpowiadać typowym stosunkom mendlow-skim. Stosunki te nie będą zachowane również wtedy, gdy liczba różnych alleli, które mogą zajmować dany locus, jest większa niż dwa (tzw. allele wielokrotne). Tak się dzieje w wypadku dziedziczenia grup krwi (ABO). Większość genów wykazuje efekt plejotropii, tj. wpływa jednocześnie na różne cechy.
1.8. Dziedziczenie dwóch par cech przeciwstawnych (krzyżówka dwugenowa)
Krzyżówka dwugenowa u zwierząt
Dziedziczenie czarnego i brązowego umaszczenia u świnek morskich.
Umaszczenie jest determinowane przez pojedynczy gen znajdujący się w jednym z chromosomów. Przypomnijmy, że homozygota BB i heterozygota Bb są czarne, a homozygota bb jest brązowa. Locus znajdujący się w innym chromosomie determinuje długość sierści u świnek. W tym wypadku homozygoty SS i heterozygoty Ss są krótkowłose, a homozygota ss jest długowłosa. Dziedziczenie długości włosów u świnki przebiega więc tak jak typowe dziedziczenie jednej pary cech przeciwstawnych. Spróbujmy jednak zanalizować przypadek bardziej skomplikowany. Przekonajmy się, co się stanie, jeśli skrzyżujemy homozygotę BBSS, czyli świnkę czarną o krótkim włosie, z homozygota bbss, czyli świnką brązową, o długim włosie. Takie dziedziczenie dwóch par cech przeciwstawnych: umaszczenia (czarnego lub brązowego) i długości włosów (krótkich lub długich), jest tzw. dziedziczeniem dwugenowym (lub krzyżówką dwugenowa). Każde z homozygotycznych rodziców wytwarza gamety jednego rodzaju: BS (świnka czarna, krótkowłosa) i bs (świnka brązowa, długowłosa).
W genotypie pokolenia F1 występuje więc kombinacja BbSs. Wszystkie świnki w tym pokoleniu są czarne i krótkowłose. Zastanówmy się, jaki będzie wynik krzyżowania dwóch świnek pokolenia F,. Analizę tego przypadku ułatwi nam przypomnienie sobie tego, co się dzieje z biwalentami w czasie mejozy I. Wybór bieguna, do którego rozchodzą się one w anafazie I podziału mejotycznego, jest niezależny dla każdego z chromosomów. A zatem w gametach z jednakowym prawdopodobieństwem pojawią się cztery kombinacje dwóch par alleli: BS, Bs, bS i bs. Każda ze świnek pokolenia F, wytwarza więc cztery rodzaje gamet (dotyczy to oczywiście gamet zarówno męskich, jak i żeńskich). Wynik krzyżówki osobników pokolenia Fj możemy przewidzieć, rysując szachownicę Punnetta. Stosunek poszczególnych fenotypów, jest typowym stosunkiem mendlowskim w krzyżówce dwugenowej.
Krzyżówka dwugenowa u roślin
Allele determinujące gładką powierzchnię i żółtą barwę nasion są dominujące. Przyjmijmy następujące oznaczenia genotypów: BBCC - rośliny o nasionach żółtych i gładkich; bbcc - rośliny o nasionach zielonych i pomarszczonych. Podobnie jak w wypadku krzyżówki świnek morskich, różniących się barwą i długością sierści, tu również możemy posłużyć się szachownicą Punnetta i przewidzieć proporcje poszczególnych fenotypów w pokoleniu F2.
Reguła niezależnej segregacji genów - drugie prawo Mendla:
Na podstawie wyników krzyżówek dwugenowych Mendel sformułował zasadę znaną jako reguła niezależnej segregacji albo drugie prawo Mendla. Głosi ona, że allele dwóch różnych genów są rozdzielane (segregują) do gamet niezależnie od siebie i w sposób całkowicie losowy.
Krzyżówka testowa - odróżnianie homozygot od heterozygot w krzyżówkach dwugenowych
Podobnie jak w wypadku krzyżówek jednogenowych, również w krzyżówkach dwugenowych nie można na podstawie fenotypu odróżnić w potomstwie pokolenia F2 homozygot dominujących od heterozygot.Nie można wskazać, która świnka pokolenia F2 ma genotyp BBSS, a która BbSs. Jeśli jednak czarną świnkę z krótką sierścią skrzyżujemy z rodzicielską homo-zygotą recesywną (brązową świnką z długą sierścią), czyli wykonamy tzw. krzyżówkę testową, rozkład fenotypów potomstwa od razu nam wskaże, czy mieliśmy do czynienia z podwójną homozygotą dominującą, czy z podwójną heterozygotą. Jeśli w potomstwie uzyskanym z krzyżówki testowej wszystkie cztery możliwe fenotypy występują w proporcji 1:1:1:1, to świadczy to o tym, że badana świnka była podwójną heterozygotą.
1.9. Geny sprzężone i sposób ich dziedziczenia
Dwa geny znajdują się w dwóch różnych chromosomach. Komórki roślin i zwierząt zawierają zwykle od kilku do kilkudziesięciu (zależnie od gatunku) chromosomów, natomiast liczba zawartych w nich genów może sięgać nawet kilkudziesięciu tysięcy. Wynika z tego, że bardzo wiele genów jest umiejscowionych w tym samym chromosomie. O takich genach mówimy, że są sprzężone. Jeśli dwa geny występują w tym samym chromosomie (są sprzężone), to nie dotyczy ich reguła niezależnej segregacji. Jeżeli np. dla dwóch sprzężonych loci w chromosomie ojcowskim występuje układ alleli AD, a w homologicznym chromosomie matczynym - układ ad, to w gametach allele te będą się pojawić w takim samym układzie jak rodzicielski, tj. AD i ad. Jest to oczywiste, bo przecież sprzężenie oznacza, że los tych alleli podczas segregacji chromosomów w mejozie jest wspólny. Innymi słowy muszą się one znaleźć w tej samej gamecie - są dziedziczone razem.
Crossing-over
Za każdym razem, gdy dochodzi do tworzenia biwalentów w mejozie, część genów sprzężonych zmienia swoje położenie. Jak pamiętamy przyczyną tego zjawiska jest crossing-over, czyli wymiana (rekombinacja) odcinków między sąsiadującymi chromatydami w parach chromosomów homologicznych. W wyniku crossing-over w gametach pojawiają się nowe kombinacje alleli genów sprzężonych. Kombinacje te nie występują w chromosomach organizmów rodzicielskich. Potomstwo, u którego takie nowe, nierodzicielskie kombinacje alleli występują, określa się mianem rekombinantów.
Jak rekombinacja wpływa na sposób dziedziczenia pary genów sprzężonych? Prześledźmy to na przykładzie krzyżówki między roślinami różniącymi się w dwiema cechami determinowanymi przez geny leżące w tym samym chromosomie. Krzyżowanie heterozygoty AaDd, o czerwonych kwiatach i zielonych liściach, z homozygotą recesywną aadd, o białych kwiatach i żółtawych liściach. Jest to typowa opisana wcześniej krzyżówka testowa, w której heterozygotę krzyżujemy z homozygotą recesywną. (Heterozygotę AaDd można uzyskać, krzyżując homozygotę AADD - o czerwonych kwiatach i żółtawych liściach - z homozygotą recesywną aadd). Ponieważ oba analizowane geny leżą w tym samym chromosomie, gamety wytwarzane przez heterozygotę powinny mieć genotypy AD lub ad, a gamety wytwarzane przez homozygotę - genotyp ad.
W takim wypadku połowa roślin uzyskanych w wyniku krzyżówki miałaby fenotyp jednego rodzica (czerwone kwiaty i zielone liście), a połowa fenotyp drugiego rodzica (białe kwiaty i żółtawe liście). Wynik analizowanej krzyżówki był jednak inny. W potomstwie, oprócz roślin o fenotypach rodzicielskich, pojawiły się też rośliny o fenotypach zrekombinowanych. Przyczyną pojawienia się rekombinantów był crossing-over, który wystąpił w trakcie mejozy u pewnej liczby komórek dających początek gametom. Wskutek crossing-over w gametach tych pojawiły się nowe kombinacje alleli, które nie występowały u żadnego z rodziców.
1.10. Mapowanie genów na chromosomach
W wypadku genów sprzężonych krzyżówka testowa (tj. krzyżówka między podwójną heterozygotą a podwójną homozygotą recesywną) pozwala na wyznaczenie częstości crossing-over. Dla dowolnych dwóch loci w chromosomie częstość crossing-over jest równa procentowi, jaki stanowią rekombinanty w całkowitej liczbie potomstwa. CNp., częstość występowania crossing-over między loci A/a i D/d wynosi 10%. Wartość tę obliczyliśmy, dodając do siebie liczbę rekombinantów obu rodzajów (5+5), a następnie dzieląc uzyskaną sumę przez całkowitą liczbę potomstwa (45+5+5+45) i mnożąc przez 100. Częstość crossing-over między dwoma loci w chromosomie jest tym większa, im większa jest fizyczna odległość między nimi. Prawidłowość ta pozwala na określanie względnej odległości między genami występującymi w tym samym chromosomie, czyli na sporządzanie map genetycznych chromosomów. Za umowną jednostkę odległości na mapie genetycznej przyjęto wartość odpowiadającą częstości crossing-over równej 1%. Oznacza to, że jeżeli w krzyżówce badającej dziedziczenie dwóch sprzężonych loci częstość crossing-over wynosi 1%, to te loci leżą w odległości jednej jednostki mapowej zwanej też centi-morganem (cM; od nazwiska amerykańskiego genetyka T. H. Morgana). Jeśli znamy odległość między dwoma genami, a także między każdym z nich a genem X, możemy ustalić położenie wszystkich trzech genów na mapie chromosomu. Do niedawna był to jedyny sposób mapowania genów. Obecnie, dzięki zakończonym już projektom sekwencjonowania genomów wielu gatunków potrafimy określać nie tylko względne, ale i rzeczywiste położenie genów w chromosomach.
1.11. Rodzaje zmienności a cechy organizmu
Nasze rozważania o sposobach dziedziczenia oparliśmy na analizie sytuacji, w których za zmienność konkretnej cechy, np. wysokości u grochu, umaszczenia albo długości sierści u świnki morskiej, grupy krwi u człowieka, odpowiada pojedynczy gen reprezentowany przez jeden z dwóch lub (w wypadku grup krwi) większej liczby alleli. Zauważmy, że cechy, które analizowaliśmy, występowały w dwóch (np. rośliny wysokie albo niskie, sierść czarna albo brązowa, długa czy krótka) lub więcej (grupa A, B, AB lub O) konkretnych postaciach. Między nimi nie było żadnych form pośrednich (np. nie było grupy krwi o typie pomiędzy A i AB). Tego rodzaju zmienność nazywamy zmiennością nieciągłą. Jednak większość cech organizmów zmienia się w sposób ciągły. Na przykład takie cechy człowieka, jak: kolor skóry, kształt poszczególnych części ciała czy wysokość, zmieniają się płynnie między postaciami skrajnymi. Cechy, które charakteryzuje zmienność ciągła, są determinowane zwykle przez wiele różnych genów, których efekty fenotypowe się sumują. Geny wspólnie determinujące cechę o zmienności ciągłej (np. wzrost człowieka) nazywamy poligenami. Ogromna liczba możliwych kombinacji alleli w polige-nach decyduje o tym, że wśród organizmów występują wszystkie możliwe ilościowe warianty danej cechy. Zwróćmy jednak uwagę na to, że dziedziczenie poszczególnych poligenów odbywa się tak samo, jak dziedziczenie genów determinujących cechy o zmienności nieciągłej, a więc zgodnie z regułami Mendla.
Dziedziczna i niedziedziczna zmienność organizmów (zmienność osobnicza)
Różnice między osobnikami należącymi do tego samego gatunku, nazywane zmiennością osobniczą, mogą być dziedziczne - wtedy mówimy o zmienności genetycznej - lub niedziedziczne - wówczas mamy do czynienia ze zmiennością środowiskową (zwaną też zmiennością fluktuacyjną). Pierwotną przyczyną zmienności genetycznej są drobne różnice między allelami wynikające z mutacji. Ważnymi, choć wtórnymi w stosunku do mutacji, mechanizmami generowania zmienności są przetasowania genów w chromosomach na skutek crossing-over (rekombinacja wewnątrzchromosomowa) oraz przypadkowa i niezależna segregacja chromosomów w mejozie (rekombinacja międzychromosomowa).
Zmienność środowiskowa wynika z oddziaływania na organizmy różnorodnych czynników. Na przykład wraz z lepszym odżywianiem się wzrasta średni wzrost ludzi, oczywiście, tylko do maksymalnej wartości określonej przez poligeny warunkujące tę cechę. Z identycznych dwóch nasion, z których jedno rośnie w podłożu bogatym w sole mineralne, a drugie w podłożu ubogim, wyrosną rośliny znacznie różniące się wysokością. Ostateczna postać danego organizmu jest więc zawsze wypadkową genotypu (programu zakodowanego w genach) i środowiska, w którym ten organizm się rozwinął i funkcjonuje.
1.12. Dziedziczenie pozachromosomowe
Obecne w komórkach eukariontów mitochondria i chloroplasty zawierają własny DNA zwany DNA pozachromosomowym. Determinuje on pewną liczbę cech, które - w przeciwieństwie do cech determinowanych przez DNA chromosomów w jądrze - nie dziedziczą się zgodnie z regułami Mendla. Mitochondria i chloroplasty replikują swój DNA, a następnie dzielą się przez podział. U wielu organizmów, w tym także u człowieka, DNA pozachromosomowy zygoty pochodzi z komórki jajowej, plemniki w zasadzie nie zawierają go wcale. A więc cechy determinowane prze/ DNA pozachromosomowy są dziedziczone wyłącznie po matce. Dziedziczenie cech determinowanych przez materiał genetyczny mitochondriów i chloroplastów nosi nazwę dziedziczenia pozachromosomowego.
PODSUMOWANIE
Krzyżówka dwugenowa pozwala prześledzić sposób dziedziczenia dwóch par cech przeciwstawnych, determinowanych przez geny występujące w niezależnych chromosomach. Stosunek fenotypów w potomstwie pokolenia F2 takiej krzyżówki wynosi 9:3:3:1 (jest to mendlowski stosunek fenotypów dla krzyżówki dwugenowej). Wynik krzyżówki dwugenowej świadczy o tym, że allele dwóch różnych genów są rozdzielane do gamet niezależnie od siebie (reguła niezależnej segregacji lub drugie prawo Mendla). Reguła niezależnej segregacji nie dotyczy genów sprzężonych, tj. leżących w tym samym chromosomie. Geny takie dziedziczą się razem i w potomstwie występują w takich samych kombinacjach jak u rodziców.
Pojawienie się w potomstwie pewnej liczby kombinacji nierodzicielskich (rekombinantów) jest wynikiem zachodzenia crossing-over (wymiany odcinków między chromatydami podczas mejozy).
Analiza częstości crossing-over pozwala na konstruowanie map genetycznych chromosomów. Większość cech organizmów jest determinowana nie przez jeden, lecz przez wiele różnych genów. Są to tzw. poligeny. Określają one cechy wykazujące zmienność ciągłą, np. wzrost lub kolor skóry u ludzi. Cechy wykazujące zmienność nieciągłą, np. grupy krwi u ludzi, wysokość u grochu, są wyznaczane przez pojedyncze geny. Sposób przejawiania się cechy determinowanej przez konkretny gen lub geny zależy także od środowiska, Dziedziczenie cech określanych przez geny zawarte w DNA mitochondriów i chloroplastów (dziedziczenie poza-chromosomowe) nie podlega prawom Mendla. U wielu organizmów DNA pozachromosomowy jest dziedziczony wyłącznie po matce.
1.13. Genetyka człowieka
Wady genetyczne i choroby dziedziczne, choroby związane z mutacjami chromosomowymi, choroby związane z mutacjami genowymi i choroby dziedziczne sprzężone z płcią
Dziedziczenie cech u człowieka podlega takim samym prawom jak u innych organizmów. Trudniej jednak jest je badać, ponieważ człowiek - w odróżnieniu od grochu czy myszy - nie może być obiektem zaplanowanych doświadczeń genetycznych. W niektórych wypadkach o sposobie dziedziczenia określonej cechy u ludzi możemy wnioskować na podstawie analizy rodowodów, jednak dane dotyczące poprzednich pokoleń są często niekompletne i niepewne. Wielu informacji o dziedziczeniu cech u człowieka dostarczyła analiza chorób i wad powstających wskutek uszkodzeń DNA, czyli mutacji.
Wady powstające w wyniku mutacji chromosomowych
Z pojęciem kariotypu, oznaczającym zestaw wszystkich chromosomów w komórce danego osobnika, zapoznaliśmy się wcześniej. Na podstawie obserwacji kariotypu człowieka już na pierwszy rzut oka można stwierdzić, czy nastąpiła utrata lub pojawienie się dodatkowego chromosomu. Dokładniejsza analiza kariotypu umożliwia także wykrycie anomalii w budowie chromosomów, które mogą wynikać np. z delecji, inwersji lub translokacji. U człowieka, podobnie jak u większości zwierząt, nie spotyka się kariotypów będących wynikiem poliploidyzacji, tj. zwielokrotnienia całkowitej liczby chromosomów. Zygoty powstałe z komórek płciowych, w których doszło do poliploidyzacji, nie rozwijają się w normalne zarodki. Natomiast u pewnej liczby noworodków spotyka się anomalie polegające na obecności dodatkowego chromosomu lub na braku jednego chromosomu. Przyczyną takiej anomalii jest najczęściej nieprawidłowe rozejście się chromosomów w anafazie pierwszego lub drugiego podziału mejotycznego (zjawisko to nosi nazwę nondysjunkcji). Jeśli w trakcie mejozy chromosomy homologiczne w jakiejś parze nie rozdzielają się, lecz wędrują wspólnie do tego samego bieguna komórki, wówczas jedna z komórek powstałych po podziale otrzymuje oba chromosomy z danej pary, a druga nie otrzymuje żadnego. Brak pojedynczego chromosomu z pary chromosomów homologicznych (tzw. monosomia) lub pojawienie się dodatkowego, trzeciego chromosomu homologicznego (tzw. trisomia) mają bardzo poważne konsekwencje dla rozwoju organizmu człowieka. Na przykład dzieci z dodatkowym 13. chromosomem (zespół trisomii 13) lub 18. chromosomem (zespół trisomii 18) wykazują liczne wady rozwojowe i umierają przed ukończeniem pierwszego roku życia. Najbardziej znaną grupą objawów chorobowych związaną z obecnością dodatkowego chromosomu jest tzw. zespół Downa. Dzieci z tym zespołem mają trzy chromosomy 21. Charakterystyczne dla zespołu Downa objawy opóźnienia w rozwoju fizycznym i psychicznym mogą mieć różne nasilenie.
Trisomia chromosomu 21. jest wynikiem nieprawidłowej mejozy w komórkach żeńskich, która prowadzi do powstania komórki jajowej z dwoma chromosomami 21. zamiast jednego. Trzeci chromosom 21. pojawia się po zapłodnieniu komórki jajowej przez plemnik. Dojrzewanie komórek płciowych trwa bardzo długo. Im kobieta jest starsza, tym częściej dochodzi do zakłóceń w rozdziale chromosomów w końcowych stadiach mejozy. Dlatego też ryzyko urodzenia dziecka z zespołem Downa zwiększa się wraz z wiekiem matki. U kobiet 25-letnich wynosi ono 1 na 1000 urodzeń, a u kobiet 45-letnich - 1 na 32 urodzenia.
Nieprawidłowa liczba chromosomów płci u człowieka występuje stosunkowo rzadko i nie prowadzi do takich poważnych zaburzeń w rozwoju, jakie wywołuje nienormalna liczba autosomów. Osoby z kariotypem XXY i XXXY są mężczyznami (ze względu na obecność chromosomu Y), wykazują jednak niepłodność. To zaburzenie jest znane pod nazwą zespołu Klinefeltera. Mężczyźni z kariotypem XYY są normalni, płodni, na ogół wysocy, czasami z intensywnym trądzikiem. Kiedyś sądzono, że mężczyźni o takim kariotypie mają skłonności przestępcze, obecnie jednak wiadomo, że były to przypuszczenia nieuzasadnione. Osoby o kariotypie X0 (0 - oznacza brak drugiego chromosomu) są kobietami, które wykazują niedorozwój wewnętrznych i zewnętrznych narządów płciowych oraz niepłodność (tzw. zespół Turnera). Jest to najczęściej występująca monosomia.
Choroby wynikające z mutacji genowych
Choroby powodowane przez mutacje genowe, np. anemia (niedokrwistość) sierpowata, noszą nazwę chorób dziedzicznych, ponieważ są one przekazywane dzieciom przez rodziców jako cechy recesywne lub dominujące. Niektóre choroby dziedziczne (np. fenyloketonuria, mukowiscydoza, choroba Huntingtona) są spowodowane - podobnie jak anemia sierpowata - mutacją w pojedynczym genie. Dziedziczeniem takich chorób rządzą reguły typowe dla krzyżówek jednogenowych. Jeśli allel z mutacją jest recesyw-ny, choroba występuje tylko u potomstwa, które odziedziczy dwa zmutowane allele (tj. u homozygot recesywnych). Jeśli zmutowany allel jest dominujący - choroba występuje u wszystkich potomków dziedziczących ten allel (tj. u heterozygot i homozygot dominujących). Na szczęście, większość chorób dziedzicznych jest przekazywana jako cecha recesywna, co oznacza, że występują one rzadko. Mogą je dziedziczyć tylko dzieci z rodzin, w których oboje rodzice są nosicielami wadliwego allelu.
Współczesne metody genetyczne (diagnostyka genetyczna) umożliwiają rozpoznanie wadliwych alleli odpowiedzialnych za występowanie niektórych chorób dziedzicznych. Oparte na diagnostyce poradnictwo genetyczne ma szczególne znaczenie dla młodych ludzi pragnących się pobrać, zwłaszcza dla tych, w których rodzinach występowały już przypadki chorób dziedzicznych. W Polsce diagnostyka i poradnictwo genetyczne są dostępne w specjalistycznych poradniach działających przy większych ośrodkach medycznych.
1.14. Niektóre choroby dziedziczne są częściej spotykane
Fenyloketonuria - choroba spowodowana nagromadzaniem się w organizmie jednego z aminokwasów - fenyłoałaniny. Jej przyczyną jest mutacja w genie, który koduje enzym katalizujący przekształcenie fenyłoałaniny w inny aminokwas - tyrozynę. Stężenie fenyłoałaniny w moczu i surowicy krwi chorych ludzi przekracza normę ponad 20-krotnie. Choroba prowadzi do upośledzenia umysłowego i opóźnienia w rozwoju. Jeśli jest nieleczona, kończy się śmiercią, najczęściej przed upływem 20. roku życia. Fenyloketonuria jest łatwa do wykrycia; w Polsce rutynowymi badaniami poziomu fenyłoałaniny we krwi lub moczu są objęte wszystkie noworodki. Zapobieganie rozwojowi choroby wymaga stosowania od urodzenia diety ubogiej w feny-loalaninę. Fenyloketonuria dziedziczy się jak cecha recesywna. Mukowiscydoza - choroba spowodowana zaburzeniem wydzielania w całym organizmie. Głównym objawem jest nieprawidłowe funkcjonowanie układu oddechowego, w którym gromadzi się lepki, zatykający śluz, stanowiący doskonałe środowisko do rozwoju groźnych bakterii chorobotwórczych. Przyczyną choroby jest nieprawidłowe białko, które pośredniczy w transporcie jonów chlorkowych przez błony plazmatyczne. Defekt białka jest spowodowany mutacją punktową w kodującym go genie. U ludzi rasy białej mukowiscydoza jest najczęściej występującą chorobą dziedziczną (odpowiedzialny za nią allel pojawia się średnio raz na 25 osób), spowodowaną defektem w pojedynczym genie. Muskowiscydoza dziedziczy się jak cecha recesywna. Choroba Huntingtona - groźna choroba powodująca degenerację układu nerwowego; objawia się dopiero między 35. a 45. rokiem życia. Warunkujący ją allel jest znany, ale jego funkcja pozostaje wciąż niejasna. Choroba dziedziczy się jak cecha dominująca.
Obecność dwóch aktywnych chromosomów X w komórkach kobiety jest potrzebna tylko w bardzo wczesnym okresie rozwoju embrionalnego, w trakcie procesów prowadzących do wykształcenia jajników. W dorosłych, zróżnicowanych komórkach kobiety jednoczesna aktywność obu chromosomów X jest szkodliwa. Dlatego w tych komórkach dochodzi do przekształcenia jednego z dwóch chromosomów X w nieaktywną, silnie skondensowaną strukturę zwaną ciałkiem Barra. Ciałko to jest widoczne pod mikroskopem jako ciemno barwiący się obszar heterochromatynowy. To, który z dwóch chromosomów X danej komórki przekształci się w ciałko Barra, jest przypadkowe. Dlatego w części komórek kobiety aktywny jest chromosom X odziedziczony po matce, a w części - chromosom X odziedziczony po ojcu. Mozaikowość ta uniezależnia kobietę od efektów mutacji w chromosomie X, mimo że ma tylko jedną jego aktywną kopię.
Hemofilia
Zranienie organizmu uruchamia skomplikowany mechanizm obronny, którego rezultatem jest wytworzenie skrzepu zatykającego uszkodzone naczynie i uniemożliwiającego wypływ krwi z układu krwionośnego. U chorych na hemofilię mechanizm ten nie funkcjonuje prawidłowo z powodu braku pewnego białka, które odgrywa bardzo ważną rolę w jednym z etapów wytwarzania skrzepu. Krew hemofilików nie krzepnie, co naraża ich na wykrwawienie, nawet w wyniku zwykłego skaleczenia. Hemofilia jest stosunkowo rzadką chorobą genetyczną, spowodowaną recesywna mutacją w genie występującym w chromosomie X. Na hemofilię chorują wyłącznie mężczyźni, kobiety są tylko nosicielkami wadliwego allelu. Aby zrozumieć przyczynę takiego stanu rzeczy, wystarczy prześledzić schemat dziedziczenia allelu determinującego tę chorobę.
Kobieta nosicielka ma genotyp XHXh. Ponieważ allel warunkujący hemofilię jest recesywny. nie wykazuje ona objawów choroby. W potomstwie tej kobiety i zdrowego mężczyzny o genotypie XHY połowa chłopców odziedziczy genotyp XhY. Będą oni chorować na hemofilię, ponieważ mają wyłącznie zmutowany allel genu kodującego białko niezbędne w procesie krzepnięcia.
Aby hemofilia wystąpiła u kobiety, musiałaby ona być homozygotą XhXh w stosunku do zmutowanego genu. Jest to teoretycznie możliwe, np. u potomstwa nosicielki i mężczyzny chorego na hemofilię, jednak płody o genotypie XhXh nie przeżywają i podlegają naturalnemu poronieniu na bardzo wczesnym etapie rozwoju.
Daltonizm, czyli ślepota na barwy (czerwoną i zieloną), jest sprzężoną z płcią chorobą genetyczną, która występuje u ok. 8% mężczyzn i tylko u 0,4% kobiet. Przyczyną choroby jest recesywna mutacja w genie umiejscowionym w chromosomie X. Sposób dziedziczenia daltonizmu zilustrowano na ryc. 7.4 (dziedziczy się tak samo jak hemofilia). Kobiety ślepe na barwy są homozygotami recesywnymi. Daltonizm wśród kobiet, choć rzadko, ale się zdarza, ponieważ homozygotyczność w odniesieniu do genu warunkującego widzenie barw nie upośledza rozwoju płodu.
Podsumowanie
Dziedziczenie u człowieka podlega takim samym regułom, jak dziedziczenie u innych organizmów.
Zarówno mutacje chromosomowe, jak i mutacje genowe mogą być przyczyną wad rozwojowych i chorób.
Mutacje chromosomowe polegające na obecności dodatkowego chromosomu (trisomia) lub braku pojedynczego chromosomu (monosomia) można łatwo wykryć, analizując kariotyp. Większość mutacji dotyczących chromosomów somatycznych ma bardzo groźne następstwa.
Najczęściej pojawiająca się trisomia dotyczy chromosomu 21. i jest przyczyną występowania zespołu Downa.
Mniej groźne dla zdrowia są mutacje chromosomowe dotyczące chromosomów płci.
Mutacje genowe, które powodują upośledzenie funkcji białka kodowanego przez zmutowany allel, są przyczyną wielu chorób dziedzicznych, m.in. takich jak: anemia sierpowata, fenyloketonuria, mukowiscydoza, choroba Huntingtona.Większość chorób powodowanych przez mutacje w pojedynczym genie dziedziczy się jak cechy recesywne. Ze względu na sposób dziedziczenia płci u człowieka, choroby dziedziczne wynikające z mutacji genowych w chromosomach płci (np. hemofilia), dotykają znacznie częściej mężczyzn niż kobiety,
Współczesne metody diagnostyki genetycznej pozwalają wykryć nieprawidłowe allele powodujące choroby dziedziczne. Diagnostyka i poradnictwo genetyczne są szczególnie wskazane dla osób, w których rodzinach zdarzały się choroby dziedziczne.
W innym przypadku, kiedy wskutek zmiany jednego nukleotydu powstanie kodon oznaczający inny aminokwas, łańcuch polipeptydowy kodowany przez zmutowany gen będzie różnił się od normalnego" białka jednym aminokwasem. Gdyby kodon UUU w mRNA w wyniku zamiany jednego nukleotydu DNA przekształcił się w kodon CUU powstający łańcuch polipeptydowy w miejscu fenyloalaniny zawierałby lizynę.
Gdyby jeden z kodonów znajdujących się w połowie cząsteczki mRNA w wyniku mutacji uległ zamianie na kodon nonsensowny, synteza łańcucha polipeptydowego na matrycy tej cząsteczki zakończyłaby się po pojawieniu się zmienionego kodonu w miejscu aminoacylowym rybosomu. Łańcuch polipeptydowy byłby krótszy, bo nie zawierałby żadnego aminokwasu, który był kodowany przez triplety znajdujące się za zmienionym kodonem.
Kod genetyczny jest bezprzecinkowy — nie zawiera żadnych znaków oddzielających jeden triplet od drugiego. Dlatego dodanie do cząsteczki DNA trójki nukleotydów bezpośrednio za trójką nukleotydów kodujących dany aminokwas spowoduje wstawienie jednego aminokwasu między aminokwasy ..prawidłowego" łańcucha polipeptydowego. Podobnie delecja trzech nukleotydów kodujących jakiś aminokwas spowoduje skrócenie łańcucha polipeptydowego o jeden aminokwas, nie zmieniając składu chemicznego powstającego białka ani przed, ani po zmienionym aminokwasie.
Jeśli mutacja jest delecja lub insercja każdej liczby nukleotydów nie będącej wielokrotnością trzech, zmieni się sposób odczytywania tripletów leżących za miejscem mutacji i w powstającym łańcuchu polipeptydowym zmienią się wszystkie aminokwasy leżące za miejscem mutacji. Łańcuch polipeptydowy może zostać skrócony, jeśli za miejscem wstawienia nukleotydów powstanie kodon nonsensowny.
Taką mutację fazy odczytu może leż spowodować wstawienie trzech nukleotydów pomiędzy
nukleotydy należące do jednego tripletu.
1.16. Rodzaje mutacji – przebieg, znaczenie oraz przyczyny ich powstawania
Mutacje są to nagłe, skokowe, bezkierunkowe zmiany w DNA, w wyniku których pojawia się organizm zwany mutantem. Nowo powstałe zmiany w organizmie, jeśli nastąpiły w komórkach płciowych (gametach), są przekazywane z pokolenia na pokolenie. W zależności od rodzaju komórek, zachodzące w nich mutacje dzielimy na somatyczne (dotyczące komórek ciała) oraz g e n e r a t y w n e (dotyczące gamet). Przykładem mutacji somatycznej są np. nierówno zabarwione oczy człowieka, np. jedno niebieskie, drugie brązowe lub część oka niebieska, część brązowa, albo winogrona bez nasion, odmiany jabłoni i gruszy bez nasion (te mutacje są pożądane w praktyce rolnej). Mutacje somatyczne nie są dziedziczone i występują tylko u danego osobnika. W komórkach rozrodczych (generatywnych) zachodzić mogą mutacje:
— genowe — dotyczą zmian sekwencji nukleotydów w obrębie genu. czyli na małym odcinku DNA;
chromosomowe — dotyczą zmian struktury chromosomów:
genomowe — dotyczą zmian liczby chromosomów.
Mutacje genowe (punktowe) powstają w wyniku zmiany sekwencji nuklc-otydowej genu, a mianowicie:
t r a n z y c j i, czyli zmiany jednej zasady azotowej danego rodzaju (purynowej lub pirymidynowej) na drugą tego samego rodzaju, np. guanim na adeninę:
t r a n s w e r s j i. będącej zamianą zasady purynowej na pirymidynową bądź odwrotnie;
d e 1 e c j i, tj. wypadnięcia jednego nukleotydu
i n s e r c j i. tj. wstawienia dodatkowego nukleotydu
W wyniku mutacji punktowych powstaje nowy allel genu. U organizmów haploidalnych (np. bakterii) będzie to natychmiast zauważane fenotypowo. natomiast u organizmów diploidalnych może nie przejawiać się lenotypowo w powstającej heterozygocie.
U człowieka przykładem chorób spowodowanych mutacją jednego genu są:
- albinizm (bielactwo wrodzone, mutacja recesywna);
- alkaptonuria (mutacja recesywna, której objawami są m.in. czarne zabarwienie moczu i stany zapalne różnych narządów oraz ciemnienie skóry):
- fenyloketonuria (mutacja recesywna objawiająca się m.in. zaburzeniami w rozwoju umysłowym, zaburzeniami ruchowymi)
- anemia sierpowata (hemoglobina ma słabe powinowactwo do tlenu, a sierpowate krwinki łatwo ulegają zniszczeniu, co powoduje anemię; jest to mutacja recesywna);
- pląsawica Huntingtona (mutacja dominująca, której objawem są m.in. zaburzenia ruchowe i postępujące zmiany zwyrodnieniowe układu nerwowego w 25-45 roku życia, z upośledzeniem umysłowym).
Mutacje chromosomowe dotyczą samej struktury chromosomów, związane są z częstymi ich pęknięciami pod wpływem działania mutagenów oraz ruchów w czasie kariokinezy. Mogą one powstać w wyniku:
d e 1 e c j i, tj. wypadnięcia odcinka chromosomu (utrata części genów bywa letalna dla osobnika);
inwersji, gdy chromosom pęka w dwóch miejscach, a wyodrębniony odcinek włączony zostaje ponownie, ale po odwróceniu się o 180 ;
duplikacji, czyli podwojenia odcinków chromosomu, gdy dołączony zostaje dodatkowy odcinek chromosomu homologicznego;
translokacji, powstającej jeśli w czasie pękania chromosomu dołączony zostaje odcinek z niehomologicznegochromosomu
Mutacje genomowe są to zmiany liczby chromosomów, zarówno autosomów jak i allosomów. Takie zmiany w genomie człowieka powodują śmierć lub anomalie rozwojowe, a u roślin są wykorzystywane do zwiększenia plonowania. Wśród takich mutacji wyróżnić można następujące kategorie:
Aneuploidy to osobniki lub komórki wykazujące odchylenia od diploidalnej liczby (2n) chromosomów, przy czym odchylenia te dotyczą poszczególnych par chromosomów nomologicznych; polegają np. na występowaniu dodatkowo jednego chromosomu (2n+l = trisomik) bądź braku jednego chromosomu (2n-l= monosomik).
Do patologicznych następstw takiego zjawiska należą m.in u człowieka.:
- zespół Turnera (brak w allosmach kobiet jednego chromosomu X — monosomia 2n-l, układ chromosomów płci X0; objawy to bezpłodność, niedorozwój jajników, upośledzenie umysłowe);
- zespół Klinefeltera (dodatkowy chromosom X w allosomach — trisomia 2n +1, układ chromosomów płci XXY; objawy to niedorozwój jąder u mężczyzny, bezpłodność, osobnik eunuchoidalny z niektórymi zewnętrznymi cechami żeńskimi, umysłowo normalny);
zespół
Downa (tzw. mongolizm, wywołany trisomia chromosomów pary nr
21; objawy: chore osoby cechuje niski wzrost, „małpie"
dłonie i stopy, szerokie skośne
rozstawienie oczu z charakterystyczną fałdą, duży spłaszczony
język,
wiotkie
mięśnie, opóźniony rozwój umysłowy i motoryczny).
Niektóre trisomie (np. zachodzące w 13 lub 18 parze zespołu chromosomów) są letalne.
Euploidy to osobniki lub komórki wykazujące odchylenia polegające na zwielokrotnieniu (ponad 2n) całej podstawowej liczby chromosomów (genomu), np. 3n. 4n, lOn ... itd. Są to tzw. poliploidy.
Częstym zabiegiem stosowanym u roślin jest poliploidyzacja. Poliploidy wyróżniają się na ogół wielkością i plennością. Są pożądane w praktyce rolniczej (np. pszenica, tytoń, ziemniaki).
Mutacje mogą zachodzić spontanicznie, wywoływane przez czynniki naturalne, lub być indukowane (czyli wywoływane sztucznie). W tym drugim wypadku stosuje się tzw. sztuczne mutageny — środki fizyczne i chemiczne wywołujące mutacje. Do mutagenów zalicza się m.in. promieniowanie jonizujące — kosmiczne, gamma, również jako efekt wybuchu jądrowego, rentgenowskie; promieniowanie ultrafioletowe; analogi zasad azotowych; temperaturę; pestycydy; gazy bojowe, np. iperyt; niektóre barwniki, np. akrydynowe; benzopiren w dymie tytoniowym; alkaloid kolchicyna (używany do poliploidyzacji).
2. RODZAJE ZMIENNOŚCI I ICH EFEKTY W PRZYRODZIE
Zmienność to zjawisko występowania wszelkich różnic między osobnikami należącymi do jednej populacji lub gatunku oraz między populacjami. Efektem jej jest brak osobników identycznych fenotypowo.
Wyróżniamy następujące rodzaje zmienności:
fluktuacyjna (środowiskowa, modyfikacyjna).
rekombinacyjna (genetyczna),
mutacyjna (genetyczna).
Zmienność fluktuacyjna (środowiskowa) jest wynikiem oddziaływania warunków zewnętrznych, środowiska, na efekty genów. Można się o niej przekonać obserwując np. dwa osobniki o identycznym genotypie, umieszczone w różnych warunkach. Cechy powstałe pod wpływem środowiska nie dziedziczą się.
W zależności od różnych warunków — glebowych, nawozowych, klimatycznych, świetlnych — organizm (roślinny, zwierzęcy) będzie fenotypowo wykazywał zróżnicowanie. Przykładem zmienności fluktuacyjnej są:
morfologiczne zróżnicowanie liści strzałki wodnej — liście podwodne, nawodne, nadwodne;
polimorfizm robotnic i królowej pszczół, wynikający z odżywiania tej ostatniej mleczkiem pszczelim,
czarne zabarwienie ogona, pyszczka, nóg i uszu królika himalajskiego, co uwarunkowane jest temperaturą;
morfologiczne zróżnicowanie okazów tego samego gatunku w zależności od warunków bytowania, np. słonecznik na nizinach ma długą łodygę, a w górach krótszą.
Zmienność rekombinacyjna to następstwo zjawiska rekombinacji genów, zachodzącej u organizmów rozmnażających się płciowo. Rekombinacja może powstać w wyniku:
losowego łączenia się gamet przy powstawaniu organizmów diploidalnych.
kombinacje już istniejących genów, a nie nowe geny. Stopień zmienności genetycznej zależeć będzie od liczby chromosomów w genomie oraz od częstości crossing-over.
Zmienność rekombinacyjna jest dziedziczona, efektem jej istnienia jest powstawanie potomstwa odmiennego od rodziców losowego rozchodzenia się chromosomów w czasie mejozy.
crossing-over.
Dzięki segregacji chromosomów oraz wymianie odcinków chromosomów homologicznych podczas crossing-over gamety różnią się wyposażeniem genetycznym. W procesie rekombinacji powstają u organizmów potomnych jedynie nowe kombinacje już istniejących genów, a nie nowe geny.Stopień zmienności genetycznej zależeć będzie od liczby chromosomów w genomie oraz od częstości crossing-over.
Zmienność rekombinacyjna jest dziedziczona efektem jej istnienia jest powstawanie potomstwa odmiennego od rodziców.
Zmienność mutacyjna to zmienność powstała u osobników na skutek zaistniałej mutacji. Jest dziedziczona. Stanowi warunek ewoluowania świata organizmów. Mutacje mogą zachodzić spontanicznie, jak również mogą być indukowane.