GENETYKA

1. WSTĘP DO GENETYKI

Genom to kompletny zapis informacji genetycznej umożliwiający jej odtwarzanie i funkcjonowanie.

Informacja genetyczna jest zapisana w genomie w postaci sekwencji zasad w DNA i podzielona jest na jednostki zwane genami. W genie zawarta jest informacja o budowie konkretnego białka lub kwasu rybonukleinowego

Genom prokariontów stanowi pojedyncza kolista cząsteczka DNA i (u niektórych) cząsteczki DNA zwane plazmidami. W DNA plazmidów są zawarte nie­które przydatne dla komórki geny, np. geny warunkujące oporność bak­terii na antybiotyki.

Chromatyna zbudowana jest z: DNA, białek histonowych, niehistonowych oraz niewielkiej ilości RNA. Cząsteczka DNA składa się z dwóch pasujących do siebie prze­strzennie (komplementarnych), spiral­nie skręconych nici.

DNA zbudowane jest z kolejno ułożonych nukleotydów

Nukleotyd - podstawowa jednostka budowy DNA, jest zbudowany z cukru pentozy (C5) – dezoksyrybozy, jednej z czterech zasad azotowych: adeniny, guaniny, cytozyny lub tyminy oraz z kwasu ortofosforowego.

Pary komplementarne nukleotydów: adenina – tymina, cytozyna - guanina

Białka histonowe: Hl, H2A, H2B, H3 i H4

Nukleosom - po dwie cząsteczki histonów H2A, H2B, H3 i H4 układają się w

oktamer histonów owinięty odcinkiem cząsteczki DNA.

Replikacja DNA – podwójna nić DNA ulega rozpleceniu, enzym polimeraza DNA dobudowuje do pojedynczych nici komplementarne nici nowych łańcuchów DNA

Spiralizacja chromatyny:

nukleofilament (zbudowany z nukleosomów), fibryla chromatynowa (nukleosomy ułożone „zygzakowato”), superhelisa (skręcone nukleofilamenty), chromatyda (ciasno upakowana spirala)

Euchromatyna - jaśniejsze (mniej gęste elektronowo) obszary chromatyny.

• euchromatyna luźna (aktywna transkrypcyjnie)

• euchromatyna zwarta, w danym momencie nieaktywna

Stopień organizacji euchromatyny odpowiada nukleofilamentom i włóknom chromatynowym.

Heterochromatyna – skondensowana forma chromatyny

Chromatyna i chro­mosom różnią się tylko stopniem spiralizacji i kondensacji, ale nie róż­nią się pod względem genetycznym, ponieważ sekwencja DNA podczas tych procesów nie ulega zmianie.

Chromosomy - centromer łączy dwie identyczne genetycznie chromatydy. Rodzaje chromosomów ze względu na położenie centromeru: metacentryczne, submetacentryczne, akrocentryczne lub subakrocentryczne

W niektórych chromosomach występuje przewężenie wtórne - odcinek między tym przewężeniem a końcem chromosomu nosi nazwę satelity.

We wszystkich komórkach somatycznych (ciała) określonego gatunku występuje stała, charakterystyczna dla niego liczba chromosomów.

Gamety ludzkie zawierają pojedynczy komplet chromosomów (1n = 23 chromosomy)

• 22 to autosomy (chromosomy somatyczne)

• 1 to allosom (chromosom płciowy – X lub Y).

W wyniku zespolenia gamet po­wstaje diploidalna zygota (2n), mająca dwa haploidalne komplety chromo­somów (2 x 23) tworzące 23 pary chromosomów homologicznych.

Kariotyp - zespół chromosomów komórki o charakterystycznych cechach (wielkość, położenie centromeru).

Kariogram – uporządkowany obraz kariotypu

Ciałko Barra (chromatyna płciowa) - jeden z dwóch chromosomów X w komórkach somatycznych żeńskich zawsze zespiralizowany

Od DNA do białka - hipoteza “Jeden gen —jeden enzym"

Enzymy — specyficzne białka obniżające energię aktywacji reakcji biochemicznych i umożliwiające ich zachodzenie z dużą wydajnością w stosunkowo niskich temperaturach. Brak jednego enzymu uniemożliwia zajście jednej z komórkowych reakcji biochemicznych.

Transkrypcja

Białka enzymatyczne i strukturalne mają strukturę długich łańcuchów polipeptydowych, złożonych z dwudziestu rodzajów “cegiełek" — aminokwasów.

Kwas rybonukleinowy zbudowany jest z pięciowęglowego cukru (ryboza), zamiast tyminy obecnej w DNA. w RNA występuje uracyl

Kwas RNA powstaje na matrycy jednej nici kwasu DNA w procesie transkrypcji (przepisywania)

Transkrypcja jest katalizowana przez polimerazę RNA.

Miejsce przyłączania się polimerazy RNA w cząsteczce DNA nazywamy promotorem, a geny kodujące kolejność aminokwasów w cząsteczce białka — genami struktury. Transkrypcja kończy się, gdy polimeraza RNA napotka sekwencję nukleotydów zwaną terminatorem. Terminator znajduje się zawsze za genami struktury.

Geny występują w postaci podzielonej — sekwencje nukleotydów kodujące sekwencje aminokwasów białka to egzony, a sekwencje ) nie kodujące białek to introny.

Transkrypcji ulegają i egzony, i introny.

Składanie genów - po zakończeniu transkrypcji RNA fragmenty RNA komplementarne do intronów zostają przez enzymy wycięte z cząsteczki, a fragmenty komplementarne do egzonów są łączone w jedną cząsteczkę mRNA (messenger RNA — RNA informacyjny).

Kod genetyczny

Po zakończeniu transkrypcji i składania genów mRNA przedostaje się do cytoplazmy, gdzie będzie matrycą do wytworzenia cząsteczki białka.

Każdy aminokwas w cząsteczce białka jest oznaczony przez specyficzną dla siebie trójkę nukleotydów (triplet) w cząsteczce kwasu nukleinowego.

Kod genetyczny jest:

- niejednoznaczny - każdy aminokwas jest kodowany przez charakterystyczny dla siebie triplet nukleotydów znajdujący się w jądrowym DNA. Po transkrypcji tego tripletu otrzymujemy komplementarny do niego kodon.

Z czterech nukleotydów kodu genetycznego można ułożyć 64 różne triplety.

Liczba aminokwasów –20 - jeden aminokwas może być kodowany przez kilka różnych kodonów.

• bezprzecinkowy zachodzący - kolejne kodony w cząsteczce mRNA nie są oddzielone i nie zachodzą jeden na drugi

• uniwersalny - wszystkie żyjące organizmy stosują ten sam kod genetyczny.

Translacja - przepisywanie informacji genetycznej zakodowanej w kwasach nukleinowych na sekwencje aminokwasów białka

Odbywa się w cytoplazmie na rybosomach przy udziale mRNA i tRNA. Cząsteczki tRNA różnią się trzema nukleotydami - antykodonem (triplet komplementarny do odpowiedniego kodonu w mRNA). Każda cząsteczka tRNA może przyłączyć tylko jeden rodzaj aminokwasu

- aktywacja aminokwasu - powstaje aminoacylo-tRNA.

• cząsteczka mRNA łączy się z rybosomem

• cząsteczka tRNA której antykodon jest komplementarny do kodonu w mRNA łączy się z rybosomem, niosąc odpowiedni aminokwas

• następna cząsteczka tRNA której antykodon jest komplementarny do

kolejnego kodonu w mRNA przyłącza kolejny aminokwas, itd.

- pomiędzy znajdującymi się na rybosomie aminokwasami powstaje wiązanie peptydowe

• przyłączanie nowych aminokwasów do powstającej cząsteczki białka kończy się, gdy w miejscu w mRNA znajdzie się jeden z kodonów nonsensownych (UAG, UAA, UGA).

• rybosom uwalnia nowy. w pełni zsyntetyzowany łańcuch polipeptydowy.

Cykl komórkowy - składa się z interfazy i podziału.

Interfaza - okresem międzypodziałowy, faza przygotowawcza do podziału komórki, w którym ilość DNA musi ulec podwojeniu w procesie replikacji (z 2n do 4n) aby komórki potomne zawierały znowu diploidalną ilość DNA (2n).

Mitoza: kariokineza i cytokineza

Kariokineza dzieli się na 4 fazy: profazę metafazę, anafazę i telofazę.

Profaza

• spiralizacja i kondensacja chromatyny w chromo­somy

• replikacja centrioli i formowanie się wrzeciona podziałowego

• zanik jąderka i otoczki jądrowej

Metafaza

• centromery indywidualnych chromosomów ustawiają się w płaszczyź­nie równikowej wrzeciona podziałowego, tworząc tzw. płytkę metafazalną

• chromosomy są wyraźnie podzielone na chromatydy i połączone w miejscu centromeru. Podział centromeru kończy metafazę.

Anafaza - chromatydy wędrują do biegunów wrzeciona (skracanie mikrotubul przyczepionych do centromerów chromatyd)

Telofaza - dekondensacja chromosomów, tworzenie otoczek jądrowych wokół rozdzielonego materiału genetycznego, po­jawiają się jąderka.

Cytokineza - proces podziału cytoplazmy

Podsumowanie

1. Powstanie chromosomów w mitozie zapewnia sprawne i precyzyjne roz­dzielenie DNA do potomnych komórek.

2. Po dokonaniu rozdziału materiału genetycznego chromosomy muszą ulec
   dekondensacji w chromatynę, aby uruchomić transkrypcję, dekondensacja chromosomów jest niezbędna do realizacji metabolizmu, nad którym DNA sprawuje genety­czną kontrolę.

3. W dzielących się komórkach dekondensacja chromosomów umożliwia
   replikację DNA przed kolejnym podziałem.

Mejoza

Pierwszy podział (redukcyjny):

• utworzenia dwóch komórek o zredukowanej liczbie chromosomów (1n)

Drugi podział (wyrównawczy) przebiega jak mitoza komórki somatycznej, powstają komórki haploidalne pod względem liczby chromatyd (1n)

Profaza I

- kondensację chromatyny w chromosomy i stopniowy zanik jąderka.

• koniugacja chromosomów homologicznych, utworzenie biwalentów ( złożonych z czterech chromatyd)

• crossing-over - wymiana odcinków chromatyd należących do chromosomów homologicznych i rekombinacji genów matczynych i ojcowskich

• tworzy się wrzeciono podziałowe, zanika otoczka jądrowa

Metafaza I

- biwalenty ustawiają się w równiku wrzeciona, centromery chromosomów

homologicznych w biwalencie nie ulegają podziałowi.

Anafaza I - dwuchromatydowe chromosomy homologiczne z po­szczególnych

biwalentów rozchodzą się do biegunów

Telofaza I - rozdzielone chromosomy z biwalentów skupiają się na biegunach. Cytokineza - powstaja dwie haploidalne komórki (1n)

Profaza II - komórki przechodzą na ten etap bezpośrednio z telofazy I

Metafaza II - centromery chromosomów niehomologicznych ustawia­ją się w

równiku wrzeciona, dzieli się centromer

Anafaza II - chromatydy poszczególnych chromosomów rozchodzą się do biegunów

Telofaza II - rekonstrukcja jąder

Cytokineza

Porównanie mitozy z mejozą

1. Do obu podziałów przystępuje komórka diploidalna (2n) mająca 2x23
   chromosomy o tetraploidalnej ilości DNA (4c).

2. Mitoza stanowi jeden podział, mejoza obejmuje dwa podziały nie prze-­
   dzielone replikacją DNA.

3. Tylko w mejozie dochodzi do powstania biwalentów i wymiany materiału
   genetycznego między chromatydami chromosomów homologicznych.

4. W wyniku mitozy powstają dwie komórki diploidalne (2n) mające 2 x 23
   chromosomy o diploidalnej ilości DNA(2c), a w wyniku mejozy powstają
   cztery komórki haploidalne (1n) posiadające 23 chromosomy o haploidalnej ilości DNA (lc).

Spermatogeneza - zachodzi w kanalikach nasiennych jąder

Spermiogeneza - przekształcenie spermatyd w plemniki:

- z apa­ratu Golgiego spermatydy powstaje akrosom zawierający enzymy

trawienne służące do trawie­nia osłonek komórki jajowej(np. hialuronidaza)

- przy udziale centriol powstaje witka

• formuje się wstawka (skupisko mitochondriów)

- od­rzucona większa część cytoplazmy

Oogeneza – zachodzi w pęcherzykach jajnikowych

• Oogonia (2n) namnażają się mitotycznie, powstają oocyty I rzędu (2n)

• I podział mejotyczny, powstają dwie komórki: duży oocyt II rzędu (1n)

i mały polocyt (I ciałko kierunkowe)

- II podział mejotyczny, powstają: jedna duża ootyda (1n) i 3 polocyty (1n)

Pierwsze etapy oogenezy zachodzą w jajnikach, pozostałe dopiero po wniknięciu plemnika do komórki jajowej

• pęcherzyk pierwotny – zawiera oocyta I rzędu otoczonego jedną warstwą komórek pęcherzykowych

• pęcherzyk wzrastający – otoczony większą liczbą komórek pęcherzykowch (warstwa ziarnista), wokół oocytu I rzędu pojawia się osłonka przejrzysta.

• pęcherzyk dojrzewający - pojawia się jama wypełniona płynem

• pęcherzyk Graafa - oocyt I rzędu kończy pierwszy podział mejotyczny

Porównanie spermatogenezy z oogenezą

1. Spermatogeneza występuje w jądrach (gonadach męskich), oogenezą — w jajnikach (gonadach żeńskich).

2. Oba procesy zaczynają się w różnym czasie ontogenezy; spermatogeneza — w okresie dojrzewania, oogenezą — w rozwoju zarodkowym i życiu płodowym.

3. Spermatogeneza przebiega w sposób ciągły, w oogenezie występują dwa
   zatrzymania mejozy; pierwsze — w profazie I podziału dojrzewania w sta­dium diplotenu i dochodzi do niego jeszcze w życiu płodowym oraz drugie — w metafazie II podziału mejotycznego i dochodzi do niego tuż przed dokończeniem dojrzewania pęcherzyka jajnikowego.

4. Spermatogeneza jest procesem masowym, bo istnieje ogromne zapotrzebo­wanie na plemniki. W oogenezie w ciągu około miesiąca prawidłowo powinna powstać jedna rozwinięta komórka płciowa, która kończy mejozę po wniknięciu plemnika.

5. Rozdział materiału genetycznego podczas mejozy w obu procesach prze­biega w identyczny sposób i dlatego wszystkie komórki po mejozie są haploidalne pod względem liczby chromosomów (In) i haploidalne pod względem ilości DNA (lc).

6. W wyniku spermatogenezy i spermiogenezy z jednego spermatocytu I rzę­du powstają cztery równocenne gamety męskie, a w wyniku oogenezy z jednego oocytu I rzędu powstaje jedna komórka zdolna do zapłodnienia i dalszego prawidłowego rozwoju.

7. Spermatogeneza może trwać do wieku starczego, a oogenezą do okresu
   przekwitania.

Na czym polega determinacja płci

W chromosomie X jest niewiel­ka liczba genów, które determinują płeć.

W krótkim chromosomie Y występuje gen kodujący białko re­gulatorowe SRY. Jego uaktywnienie powoduje zaburzenie roz­woju typu żeńskiego

Pojawienie się tego białka we wczesnej fazie rozwoju prowadzi do przekształcenia zaczątków gonad w męskie narządy rozrodcze. Aktywność hormonalna tych narządów decyduje następnie o rozwoju pozostałych męskich cech płciowych.

Dziedziczenie płci u człowieka

Chromosomy płci - oznaczane są symbolami X i Y.

Płeć żeńską określa genotyp XX, a męską - XY.

Kobieta wytwarza gamety jednego rodzaju - wszyst­kie zawierają chromosom X. Mężczyzna wytwarza gamety dwóch rodzajów - zawierają chromosom X lub Y

W gametach zarówno żeńskich, jak i męskich są obecne także 22 pozostałe chromoso­my, tj. autosomy). Rozkład chromosomów płci w gametach decyduje o tym, że statystycznie rodzi się tyle samo dziewczynek co chłopców

Szczególną i charakterystyczną cechą chromosomów płci u człowieka jest bardzo duża różnica między chromosomami w parze XY. Chromosomy te nie tworzą ścisłych biwa-lentów w mejozie i w związku z tym nie wymieniają między sobą odcinków. Dzięki temu określające płeć chromosomy X i Y nigdy nie tracą swojej odrębności.

Na czym polega determinacja płci

W chromosomie X jest niewiel­ka liczba genów, które determinują płeć.

W krótkim chromosomie Y występuje gen kodujący białko re­gulatorowe SRY Jego uaktywnienie powoduje zaburzenie roz­woju typu żeńskiego i prowadzi do przekształcenia zaczątków gonad w męskie narządy rozrodcze. Aktywność hormonalna tych narządów decyduje następnie o rozwoju pozostałych męskich cech płciowych.

Bliźnięta jedno i –dwujajowe

Poliembrionia – proces rozpadania się embrionu na części, z których każda rozwija się w identyczny organizm.

Oba powstałe w ten sposób organizmy są identyczne genetycznie,

Powstałe w wyniku poliembrionii bliźnięta nazywamy bliźniętami jednojajowymi.

Jeśli w jajowodzie znajdują się nie jedna, ale dwie gotowe do zapłodnienia komórki jajowe i każda z nich zostanie zapłodniona, także urodzą się bliźnięta, jednak każde z nich będzie miało inny zestaw genów.. Są to bliźnięta dwujajowe.

Aneuploidia

Nondysjunkcja – po nieprawidłowym rozejściu się chromosomów do biegunów podczas pierwszego podziału powstają nieprawidłowe gamety:2 n – x lub 2n + x

Trisomia - jeśli podczas zapłod­nienia dojdzie do zespolenia gamety (n + 1) z prawidłową gametą (n), to powstanie osobnik (2n + l)

Monosomia - jeśli podczas zapłod­nienia dojdzie do zespolenia gamety (n - 1)

z ga­metą (n), to powstanie osobnik (2n – 1)

Aneuploidia najczęściej dotyczy allosomów.

Zygota 2x22 autosomy +YO - śmierć zarodka w bardzo wczesnym okresie rozwoju.

Zespół Turnera - 2x22 autosomy +XO (bezpłodne kobiety, niedorozwój jajników, brak jest menstruacji i drugorzędowych żeńskich cech płciowych, zaburzenia umysłowe)

Zespół Klinefeltera - 2x22 autosomy +XXY (mężczyźni właściwościach interseksualnych, bezpłodni, zaburzenia umysłowe)

Superkobiety - 2x22 autosomy +XXX (prawidłowo rozwinięte narządy rozrodcze, brak menstruacji, ograni­czona inteligencja)

2. Reguły dziedziczenia cech i przyczyny zmienności organizmów (Na podstawie: G. Nalepa, „Genetyka”

WSIP „Biologia” pod redakcją K. Staronia)

2.1. Podstawowe pojęcia genetyki

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.

2.2. Przekazywanie genów w procesie rozmnażania płciowego

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.

2.3.. Genotyp i fenotyp

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.

2.4. 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.

2.5. 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.

2.6. 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.

Podsumowanie

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).

2.7. 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 K^B, a allel determinujący czerwo­ną barwę kwiatów - K^c. 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).

2.8. 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 miat 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: I^A, I^B oraz i°. Allele I^A i I^B 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 I^A oraz I^B.

Plejotropia

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.

2.9. 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.

2.10. 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.

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.

2.11. 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.

2.12. 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.

2.13. 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.

2.14. 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.

2.15. Choroby dziedziczne sprzężone z płcią

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 X^HX^h. Ponieważ allel warunkujący hemofilię jest recesywny. nie wykazuje ona objawów choroby. W potomstwie tej kobiety i zdrowego mężczy­zny o genotypie X^HY połowa chłopców odziedziczy genotyp X^hY. 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 X^hX^h w stosun­ku do zmutowanego genu. Jest to teoretycznie możliwe, np. u potomstwa nosicielki i mężczyzny chorego na hemofilię, jednak płody o genotypie X^hX^h 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.

2.16. 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).

3. 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.

4. Genetyka i medycyna (Wg: „Biologia”, pod redakcją E. Bartnik

Człowiek jest najciekawszym, ale zarazem najtrudniejszym obiektem badań genetyki. Ze względów etycznych, kulturowych i prawnych nie jest możliwe prowadzenie badań polegających na eksperymentalnym łączeniu ludzi. Nie można też przeprowadzać krzyżówek testowych w celu odróżnienia homozygot dominujących od heterozygot. Z drugiej strony nic tak nas nie interesuje, jak my sami i prowadzone są różne badania genetyczne. Z osiągnięć genetyki często korzysta medycyna. Dzięki temu znamy nie tylko podłoże coraz większej liczby chorób zwanych dziedzicznymi, ale poznajemy, jak dziedziczą się liczne choroby fizjologiczne, zaczynamy też rozumieć molekularne podłoże niektórych nowotworów.

Pewne nasze cechy są w prosty sposób określane przez jedną parę alleli (położonych na homologicznych chromosomach). Do takich cech należy na przykład zwijanie języka w trąbkę, grupa krwi (w tak zwanym układzie ABO), włosy proste lub kręcone. Większość cech ludzkich zależy jednak od wielu różnych genów. W ten sposób dziedziczone są na przykład wzrost i barwa skóry. Złożone jest też dziedziczenie naszej osobowości i zdolności.

Na podstawie porównania bliźniąt jednojajowych (identycznych pod względem genetycznym, gdyż wywodzących się z tej samej zygoty) wiadomo, że liczne geny mają bezpośrednie i pośrednie znaczenie w określaniu cech anatomicznych czy też fizjologicznych. Do dziś na przykład do końca nie wiadomo, co jest przyczyną leworęczności. Analiza rodowodów niewiele wnosi, a hipoteza, że jest to wynik uszkodzeń okołoporodowych, jest raczej nieprawdziwa. W każdym z indywidualnych przypadków w determinowanie cech danej osoby zaangażowanych jest wiele genów i ważne są też interakcje z otoczeniem ( wychowanie itd.). Kilka przykładów dziedziczenia cech u bliźniąt przedstawiono w tabeli. Należy zachowywać pewną ostrożność przy rozważaniu tych danych. Z istnienia wielkiej zgodności w zachorowaniu bliźniąt jednojajowych na gruźlicę i trąd nie wynika, że to choroby genetyczne (są przecież powodowane przez konkretne gatunki bakterii), lecz że podatność na nie jest związana z uwarunkowanym genetycznie układem odpornościowym..

Cecha	Bliźnięta jednojajowe	Bliźnięta dwujajowe ■
Nadciśnienie tętnicze	30	10
Cukrzyca typu 1 (tzw. młodzieńcza)	35	6
Cukrzyca typu II	100	10
Schizofrenia	45	12
Choroba wieńcowa	19	8
Nowotwory	17	11
Rozszczep wargi i podniebienia	35	5
Podatność na trąd	60	20
Gruźlica	87	26

Zgodność występowania danej cechy u bliźniąt jedno- i dwujajowych (100% - pełna zgodność)

4.1. Choroby dziedziczne człowieka

Spośród kilku tysięcy znanych i opisanych chorób człowieka wiele jest wynikiem zmian w naszych genach, i to zmian związanych z jednym tylko, konkretnym genem. W zasadzie

choroby takie klasyfikuje się na różne sposoby. Ciekawy wydaje się następujący problem: czy aby zaistniała choroba, defekt musi wystąpić w jednym allelu, czy w obu obecnych kopiach genu? Jeśli konieczne są dwie uszkodzone kopie genu, mutacja jest recesywna, jeśli wystarcza jedna kopia - mutacja jest dominująca. Ponadto mutacja może być autosomalna lub sprzężona z płcią. Istnieje też wiele chorób człowieka spowodowanych zmianą liczby chromosomów. Pamiętajmy też, że obecnie leczenie chorób dziedzicznych (jeśli w ogóle podejmuje się kurację) ma charakter objawowy.

4.2. Choroby wieloczynnikowe

Przyczyną wielu chorób trapiących ludzkość nie jest jeden gen, lecz interakcje kilku genów i środowiska.

Choroby takie nazywamy wieloczynnikowymi (czasem niezbyt ściśle wielogenowymi). Większość

przypadków cukrzycy spotykanej u osób dorosłych jest wynikiem mutacji w kilku różnych genach, znaczenie ma też tryb życia i odżywiania. Niestety geny te nie są jeszcze do końca poznane. Podobnie jest z chorobami układu krążenia, podatnością na nowotwory (z wyjątkiem wspomnianych wcześniej 5-10%, za które odpowiedzialne są pojedyncze mutacje). Poznanie podłoża chorób wieloczynnikowych jest więc jednym z wielkich wyzwań genetyki XXI wieku.

4.3. Mutacje dynamiczne i piętno genomowe

Istnieją choroby wywoływane przez mutacje w pojedynczych genach, które nie dziedziczą sposób tak

prosty, jak na przykład barwy kwiatu u groszku. Jedne z tych chorób związane są z tak zwanymi mutacjami dynamicznymi, drugie z piętnem genomowym (ang. imprinting).

Mutacje dynamiczne polegają na namnożeniu pewnego fragmentu genu. W przypadki choroby Huntingtona zmutowany gen, odpowiadający za powodowanie choroby, koduje zmienione białko zwane huntyngtyną. Funkcja huntyngtyny nie jest jasna, a jej zmiana prowadzi do degeneracji komórek nerwowych w mózgu. Ta zmiana to skutek wielokrotnego powtórzenia kodonu odpowiedzialnego za włączanie do białka aminokwasu glutaminy - u chorych powstaje białko z fragmentem złożonym z glutamin dłuższym niż u osób zdrowych. Mutacja jest dominująca. Nazywa się dynamiczną, gdyż wydłużony trakt może się pojawić w rodowodzie niespodziewanie i jego długość może się zmieniać. Obecnie znanych jest kilkanaście chorób ludzkich powodowanych przez mutacje tego typu. Najczęstsza z nich, tak zwany zespół łamliwego chromosomu X, jest przyczyną równie częstych, genetycznie uwarunkowanych form niedorozwoju umysłowego.

Badania piętna genomowego są jeszcze bardziej intrygujące. Ogromną większość naszych genów dziedziczymy w sposób klasyczny - allel od ojca i allel od matki, oczywiście z wyjątkiem genów w chromosomie X. Jednakże pewna liczba genów (niewątpliwie mniej niż 100) jest dziedziczona w formie aktywnej tylko od jednego z rodziców - allel od drugiego rodzica jest nieaktywny. Zmiana nie może się dokonywać na poziomie sekwencji DNA. Jeśli bowiem czynny jest tylko allel od matki, to jej syn, produkując gamety, może przekazywać allel nieaktywny, natomiast jej wnuczka - allel aktywny. Zatem zmiana zachodzi na poziomie modyfikacji aktywności chromatyny.

Zaburzeniom piętna genomowego częściowo przypisuje się niepowodzenia klonowania zwierząt metodą pobierania jąder z komórek somatycznych.

Chorobami autosomalnymi dominującymi są też niektóre nowotwory (w sumie stanowią 5-10% przypadków wszystkich chorób nowotworowych). Osoba z takiej rodziny może odziedziczyć formę zmutowaną jednego z genów kontrolujących prawidłowe podziały komórki, co bardzo zwiększa szansę na zachorowanie na dany typ nowotworu (różny w zależności od odziedziczonego zmutowanego genu). Niektóre mutacje powodują występowanie tylko jednego typu nowotworu, inne wielu różnych.

Zdarzają się też choroby dziedziczone tylko po matce. Przykładem są niektóre choroby mięśni u człowieka (zwykle są skutkiem delecji lub innych mutacji punktowych w DNA mitochondrialnym). Objawiają się zmianami biochemicznymi w mitochondriach, osłabie­niem mięśni szkieletowych i obecnością nieco poszarpanych włókien nerwowych. Innym przykładem może być zespół Lebera - niewielka mutacja w mitochondrialnym DNA prowadzi do dziedzicznego zaniku nerwu wzrokowego i utraty widzenia.

Czy istnieją choroby, które dziedziczy się tylko po ojcu? W starszych podręcznikach genetyki podawano przykłady cech determinowanych przez geny zlokalizowane w chromosomie Y, jednak nie należy wierzyć w prawdziwość tych informacji. Chromosom Y ma pewne geny, a szczególnie jeden, bardzo ważny, którego obecność warunkuje płeć męską człowieka czy innego ssaka (SRY). W badaniach nie wykazano jednakże dziedziczenia jakichś cech przenoszonych z ojca na syna, choć oczywiście syn w całości dziedziczy chromosom Y.

4.4. Transformacja nowotworowa

Podstawową różnicę między komórką normalną i nowotworową można określić w bardzo prosty sposób. Komórka nowotworu dzieli się w zasadzie autonomicznie, podczas gdy w komórce normalnej podziały są regulowane niezwykle precyzyjnie. Ażeby normalna komórka stała się komórką nowotworową, musi zajść w niej wiele zmian. Zmiany te bądź uaktywniają, bądź unieczynniają geny związane z regulacją podziału komórki. Geny te mogą kodować białka działające w cyklu komórkowym, uczestniczące w przekazywaniu zewnątrzkomórkowego sygnału podziału, w regulacji transkrypcji, w procesach naprawy DNA itp.

Bardzo ogólnie, zgodnie z tradycją, geny te dzieli się na protoonkogeny i supresory nowotworów. Protoonkogeny to takie geny, które w przeciętnych warunkach stymulują różnicowanie i podziały komórek. Przekształcenie w wyniku mutacji protoonkogenu w onkogen przyspiesza podziały komórkowe. Geny supresji wzrostu nowotworowego normalnie hamują wzrost i proliferację komórek. Mutacja w genie supresorze nowotworu może więc doprowadzić do zaprzestania hamowania podziałów komórek.

Typowym przykładem protoonkogenu jest ludzki gen ras. Koduje on białko Ras, które w odpowiedzi na pozakomórkowy sygnał chemiczny (czynnik wzrostowy) uruchamia transkrypcję genów kodujących białka wspomagające podziały komórkowe. Jeśli zabraknie sygnału chemicznego z zewnątrz (np. po zakończeniu wzrostu organizmu) komórka przestaje się dzielić, ustalając swoją ostateczną postać morfologiczną i fizjologiczną. Czasem mutacja punktowa w genie ras może doprowadzić do powstania zmienionego białka Ras, które mimo braku sygnału zewnętrznego stale pobudza ekspresję genów białek wywołujących podziały komórkowe. Jest to więc transformacja nowotworowa wynikająca z zakłócenia szlaku pobudzającego wzrost organizmu.

Inaczej oddziaływuje gen p53- supresor nowotworu. Gen ten koduje białko p53, które w odpowiedzi na sygnał chemiczny z zewnątrz (i nie tylko) uruchamia transkrypcję białek hamujących podziały komórkowe. Są to specjalne szlaki hamowania wzrostu. Uszkodzenie genu p53 może więc doprowadzić do utraty zdolności hamowania podziałów komórkowych. Gen p53 uczestniczy też w wyzwalaniu apoptozy (samobójczej śmierci komórek) w komórkach o dużym nagromadzeniu mutacji. Wiele genów supresorowych wykryto, poszukując mutacji w rodzinach obarczonych predyspozycjami do różnych typów nowotworów. Brak czynnego białka p53 stwierdzono na przykład w sporej części ludzkich komórek nowotworowych (ponad 50% przypadł raka jelita grubego, piersi czy płuca). Gen p53 zlokalizowano w krótkim ramieniu chromosomu 17.

Z kolei mutacja punktowa w genie supresorowym RB, zlokalizowanym w chromosomie 13, lub brak fragmentu chromosomu 13 z tym genem mogą być przyczyną siatkówczaka (retinoblastoma) - rzadkiego nowotworu złośliwego. Początek rozwoju rakowej z komórek siatkówki oka następuje już w pierwszych pięciu latach życia. Retinoblastoma może występować w rodzinach - dziedziczy się autosomalnie dominująco (penetracja około 90%). W pewnym uproszczeniu można powiedzieć, że osoba przychodząca na świat z mutacją w jednym genie supresora prawdopodobnie szybciej zapada na nowotwór niż osoba nie mająca takiej mutacji.

Produkty genów z tej rodziny, czyli genów RB i p53, są podstawowymi regulatorami cyklu komórkowego. Niestety zdarza się niekiedy, że ulegają zmianie na skutek ataku twórczych wirusów, których materiał genetyczny włączany jest do genomu gospodarza.

Nasuwa się pytanie o minimalną liczbę zmian, które muszą zajść, by normalna komórka ssaka stała się komórką nowotworową. Niedawno wykazano, że u myszy takie komórki powstają, gdy nastąpi: zmutowanie genu ras (związanego z przekazywaniem sygnałów, wprowadzenie genu T wirusa SV40 (którego produkt unieczynnia p53 oraz Rb) i uaktywnienie telomerazy. Nie zawsze jednak na podstawie pojedynczych eksperymentów można wnioskować o innych przypadkach. Bardzo podobne doświadczenie, w którym zamiast genu T z wirusa SV40 zastosowano geny E6 i E7 z wirusa brodawczaka HPV16 (też unieczynniają p53 i RB), nie doprowadziło do powstania komórek o cechach nowotworowych.

Jak wynika z powyższych rozważań, zaistnienie nowotworu jest skutkiem rozchwiania systemów kontroli ekspresji genów w komórkach somatycznych (w wyniku mutacji genowych lub wnikania wirusów integrujących się z genomem gospodarza). W diagnostyce komórek nowotworowych zwraca się uwagę na cztery podstawowe zmiany:

• nieograniczoną zdolność do podziałów,

• ucieczkę przed apoptozą,

• brak zapotrzebowania na sygnały wzrostowe z zewnątrz,

• niewrażliwość na zewnętrzne sygnały hamowania wzrostu.

Wyróżnia się też trzy dodatkowe cechy: niestabilność genetyczną komórek nowotworowych, zdolność do powodowania angiogenezy (czyli ukrwienia, co jest bardzo ważne przy guzach litych, które pozbawione tych warunków mają bardzo ograniczone możliwości rozrostu) oraz zdolność do inwazji tkanek i tworzenia przerzutów.

4.5. Rozwój procesu nowotworowego

Niewiele osób zdaje sobie sprawę, że to, co obserwuje się jako chorobę, w rzeczywista jest jednym z ostatnich stadiów długotrwałego procesu nowotworowego. Całość obejmuje kilka umownych etapów. Pierwszym momentem jest najprawdopodobniej mutacja i powstanie komórki zmienionej przez czynnik rakotwórczy. Jest to etap inicjacji nowotworowej, polegający między innymi na gromadzeniu się mutacji punktowych w zmienionej komórce. Komórka taka może przez wiele lat zachowywać się w miarę normalnie, lecz te komórki które powstają w wyniku jej podziałów, dziedziczą zdolność do intensyfikacji mitoz, połączoną z narastającą utratą zdolności do różnicowania. Na tym etapie bardzo trudno wykryć nowotwór, mówimy więc o stanie utajonym procesu nowotworzenia (czasem może on trwać wiele lat). Pod koniec inicjacji morfologicznym przejawem zmian mogą już być tak zwane stany przedrakowe, charakteryzujące się między innymi nadmiernym wzrostem zmienionej tkanki. Następnym etapem jest promocja, a typowe dla niej jest wyraźne nasilenie podziałów komórek. Cechuje te komórki zwiększona ruchliwość, utrata połączeń międzykomórkowych i inwazyjność (tu: zdolność do przemieszczania). Wykrycie raka w tym stadium pozwala na leczenie z dużą szansą na wyzdrowienie.

Dlatego w wielu krajach stosuje się szeroko rozumianą profilaktykę przeciwnowotworową. Jeśli jednak choroba rozwija się bez przeszkód, to w kolejnym etapie, nazywanym progresją wzrost komórek nowotworowych staje się autonomiczny (w zasadzie niekontrolowany). W okresie tym stwierdza się występowanie w komórkach nowotworowych licznych mutacji genowych i chromosomowych. Czasem dochodzi do tego proces unaczynienia - komórki guzów zaczynają wydzielać substancje angiogenne (stymulujące wzrost naczyń krwionośnych). W przypadku nowotworów złośliwych rozwój choroby kończy się często etapem powstawania przerzutów. Polega to na tym, że komórki nowotworowe odrywają się od ogniska pierwotnego i przechodzą do naczyń krwionośnych lub limfatycznych. W ten sposób mogą się przemieszczać w dowolne miejsca, zasiedlać je i tworzyć nowe skupiska komórek nowotworowych, czyli przerzuty. Na nowotwory chorują ludzie w różnym wieku, zachorowalność nie rządzi się żadnymi regułami, chociaż ze statystycznego punktu widzenia prawdopodobieństwo transformacji nowotworowej wyraźnie zrasta z wiekiem. Na świecie notuje się rocznie ponad 6 milionów przypadków zachorowań, nie wiadomo jednak, jaka jest rzeczywista liczba. Na pewno wpływ na powstawanie nowotworów ma zanieczyszczenie środowiska, tryb życia i czynniki genetyczne. Nie musimy jednak być bierni. To my najczęściej decydujemy, jak żyjemy, co jemy, gdzie mieszkamy, a to wpływa zasadniczo na stopień ryzyka. Nie zapominajmy też, że zmiany takie powstają w naszych organizmach co chwilę, jednak układ odpornościowy usuwa je z ogromną wydajnością (pomijając już wysokowydajne mechanizmy naprawy DNA).

4.6. Badania i diagnostyka chorób dziedzicznych oraz nowotworowych

Najstarszym sposobem badania chorób ludzkich jest śledzenie rodowodów przez lekarzy genetyków. Na podstawie przekazywania cechy można stwierdzić w jaki sposób (i czy w ogóle) dziedziczy się ona z pokolenia na pokolenie. Informacje tego typu były i są nadal zbierane przez lekarzy genetyków. Rycina przedstawia rodowody przykładowe dla kilku form dziedziczenia: dominujące, i recesywne, sprzężone z płcią recesywne i dominujące oraz mitochondrialne. Analiza rodowodów ma bardzo duże znaczenie ponieważ pozwala ustalić czy dana cecha się dziedziczy i w jaki sposób. Stanowi to punkt wyjścia dla dla bardziej precyzyjnych metod diagnostycznych, których celem jest zidentyfikowanie molekularnej przyczyny danej choroby.

4.7. Współczesne metody diagnostyki chorób wykorzystujące osiągnięcia genetyki i medycyny

Oprócz analiz rodowodów przeprowadza się też analizy kariotypów. Na przykład u pary, w której kobieta ma kłopoty z zajściem w ciążę, przeprowadza się badanie obrazu chromosomów. Czasami translokacje (przemieszczenia) fragmentów chromosomów nie wywołują objawów u nosicieli, ale mają wpływ na zaburzenia w procesie mejozy. Kariotypy bada się też u dzieci, u których występują wielorakie zaburzenia, a także u płodów. Częstość występowania aberracji chromosomowych różnego rodzaju wzrasta wraz z wiekiem kobiety i w wielu krajach (taka możliwość istnieje także w Polsce) rutynowo bada się kariotypy płodów u kobiet w wieku powyżej 35 lat.

Badanie prenatalne polega na pobraniu niewielkiej ilości płynu owodniowego, najczęściej między 14 a 16 tygodniem ciąży. W płynie tym są obecne komórki płodu, w których można badać jego kariotyp lub też - technikami analizy DNA - można badać obecność mutacjiw konkretnym genie.

W prenatalnych badaniach DNA stosuje się techniki wykorzystujące molekularne sondy-DNA które łączą się tylko z DNA nie zmutowanym lub tylko z DNA zmutowanym (dla ustalonej, już wykrytej w badanej rodzinie mutacji w konkretnym genie, na przykład dla mutacji w genie warunkującym wystąpienie mukowiscydozy.Nie jest praktyczne badanie wszelkich możliwych chorób u płodu. Na ogół bada się płody w tak zwanych rodzinach ryzyka genetycznego, czyli takich, w których urodziło się dziecko dotknięte konkretną chorobą.

Możliwe jest też stosowanie innych technik, wymagających mniejszych ilości materiału wyjściowego z zaledwie kilku komórek. Najczęściej stosowana jest tak zwana technika - reakcji łańcuchowej polimerazy. Ta metoda umożliwia uzyskanie bardzo wielu cząsteczek DNA - po wybarwieniu można je zobaczyć jako prążki na żelu.

Badania DNA prowadzi się nie tylko u płodów. Przeprowadza się je także w sytuacjach, gdy dorosła osoba chce wiedzieć, czy jest nosicielem mutacji genowych powodujących czy zwiększających ryzyko zachorowania. Wyniki takiego badania mogą się okazać dramatyczne dla danej osoby, szczególnie jeśli na wykrytą chorobę nie opracowano jeszcze leku. Przykładem może być choroba Huntingtona. Jeśli ktoś jest synem lub córką osoby dotkniętej chorobą Huntingtona, prawdopodobieństwo posiadania genu warunkującego chorobę wynosi 50%.

Dla 5-10% osób chorujących na nowotwory, które są dziedziczne, ustalenie obecności zmutowanego genu nie musi oznaczać wyroku, a raczej wskazanie na bardziej intensywne badania profilaktyczne i wcześniejszą terapię. Tego typu postępowanie może uratować życie. Dzięki diagnostyce molekularnej, badając choroby genenetyczne, można precyzyjnie określić, w jakim genie zaszła mutacja. Nie zawsze jest to możliwe bez badań DNA, jako że objawy wielu chorób genetycznych są podobne, a rokowania mogą być różne w zależności od zmutowanego genu i typu mutacji.

Ustalenie, w jakim genie zaszła mutacja, pozwoli też udzielić właściwej porady genetycznej to znaczy poinformować osobę (najczęściej parę starającą się o dziecko lub już oczekującą dziecka), jakie są szansę ich potomka na odziedziczenie choroby występującej w rodzinie. Przykładem może być badanie nosicielstwa recesywnego genu odpowiedzialnego za mukowiscydozę.

Badania genetyczne przeprowadzane są w odpowiedni sposób. Konieczny jest kontakt z lekarzem genetykiem, który wytłumaczy znaczenie badań, przedstawi możliwe wyniki i ewentualne możliwości terapii lub brak takich możliwości. Niedopuszczalne jest pobieranie próbek i wydawanie wyników bez jakiejkolwiek rozmowy z pacjentem, w celach komercyjnych. Osoba poddająca się testowi powinna wiedzieć, że w dowolnym momencie może zrezygnować z badań nie musi odbierać wyniku), a ponadto, że po uzyskaniu wyniku nie zostanie pozostawiona sama sobie, lecz uzyska wsparcie (lekarza, psychologa, rodziny itp.). Są to informacje bardzo ważne dla pacjenta, zważywszy znane przypadki samobójstw osób, które dowiedziały się, że są nosicielami genu powodującego chorobę Huntingtona.

Placówki w Polsce, w których wykonuje się badania genetyczne, zajmują się między innymi poradnictwem ge netycznym, diagnostyką ultrasonograficzną i cytogenetyką. Szczegółowe informacje na temat badań można uzyskać w każdej z tych placówek.

Czasami możliwe jest wykluczenie przekazywania genów choroby dzieciom. Jedna z chorób powodowanych przez mutacje w mitochondrialnym DNA powoduje ślepotę. Z dotąd niezbadanych przyczyn na chorobę tę znacznie częściej zapadają mężczyźni niż kobiety. Jednakże mężczyzna, u którego stwierdzi się mutację mitochondrialną, wywołującą ślepotę, nie przekaże jej swoim dzieciom, gdyż mitochondria dziedziczy się tylko po matce.

Obecnie ustalanie molekularnych przyczyn choroby stosunkowo niewiele wnosi do terapii, bowiem leczenie olbrzymiej większości chorób dziedzicznych jest tylko objawowe. Ten stan będzie się jednak zmieniał. We wrześniu 2003 roku w Polsce ogłoszono publiczną zbiórkę pieniędzy na leczenie czworga dzieci chorych na bardzo rzadką chorobę - mukopolisacharydozę. Choroba ta może być leczona nie objawowo, lecz bardziej systemowo - przez podawanie brakującego enzymu w formie preparatu. Jedyny problem tkwi w tym, że leczenie jest niesłychanie kosztowne - zapas enzymu dla tych czworga dzieci na jeden rok to wydatek rzędu trzech milionów złotych. Enzym jest produkowany zaawansowanymi technikami inżynierii genetycznej. Kiedyś koszty takich terapii zmaleją, jak na prze­kład insuliny, którą dziś można kupić w każdej aptece i która też jest produktem inżynierii genetycznej.

Terapie zrekombinowanymi białkami są na ogół bardzo kosztowne. Ponadto musi być podawane przez całe życie. Nie jest to cudowny lek, który raz podany zwalcza chorobę - nadal w organizmie będzie brakowało genu produkującego dane białko, a dostarczanie białka, choć jest to leczenie ukierunkowane na zaburzenie, nie usuwa braku funkcjonalnego genu. Idealnym rozwiązaniem byłoby podawanie pacjentowi genu pozbawionego defektu, co powodowałoby wyleczenie. Sposób leczenia przez podawanie genów nazywany jest terapią genową.