Genetyka klasyczna

POJĘCIA:

Gen - jednostka dziedziczenia decydująca o przekazywaniu potomstwu poszczególnych cech organizmu; odcinek łańcucha kwasu deoksyrybonukleinowego (DNA) lub u niektórych wirusów (RNA) w którym kolejność ułożenia nukleotydów stanowi informację genetyczną o zdolności organizmu do syntezy określonych białek; geny znajdują się w chromosomach i w cytoplazmie.

Genotyp [gr.], zespół wszystkich genów organizmu, warunkujący jego właściwości dziedziczne; charakterystyczny dla danego organizmu; w czasie rozwoju osobniczego pod wpływem g. i czynników zewn. wytwarza się fenotyp.

Fenotyp - zespół cech organizmu (np. anatomicznych, fizjologicznych); stanowi wynik współdziałania genotypu i warunków środowiska.

Allele - para lub więcej genów, wywołujących odmienne wykształcenie tej samej cechy, np. czerwony lub biały kolor kwiatu; tworzą pary w komórkach somatycznych; w gametach występują pojedynczo; różnią się sekwencją nukleotydów

Homozygota - organizm powstały z połączenia się gamet o tym samym składzie genów w odniesieniu do danej pary lub par genów (alleli)

Heterozygota - diploidalny organizm powstały z połączenia się 2 gamet, mający 2 różne allele danego genu, z których każdy pochodził z innej gamety.

Pula genowa - suma alleli wszystkich genów zawartych w genotypach osobników tworzących jedną populację mendlowską, czyli taką, której osobniki swobodnie i losowo krzyżują się między sobą, zapewniając swobodny przepływ genów w populacji.

Geny letalne - są to geny śmiercionośne powodujące śmierć w okresie płodowym

Geny subletalne - mogą powodować śmierć już po urodzeniu organizmu; osobnik rodzi się słabszy i nie osiąga dojrzałości płciowej.

PRAWA MENDLA:

Prawa Mendla to reguły przekazywania cech dziedzicznych. Zostały sformułowane w 1866 przez Grzegorza Mendla podczas jego badań nad krzyżowaniem roślin, głównie grochu zwyczajnego (Pisum sativum).

W uwspółcześnionej postaci, uwzględniającej naszą obecną wiedzę o chromosomach i genach, brzmią następująco:

• Pierwsze prawo Mendla (prawo czystości gamet) - każda gameta wytwarzana przez organizm posiada tylko jeden gen z danej pary alleli. Wynika z tego, że każda komórka płciowa musi zawierać po jednym genie z każdej pary alleli.

W swoim doświadczeniu krzyżował parę homozygotycznych rodziców (P), z których jedna była dominująca, a druga receesywna. W pokoleniu F1 wszystkie kwiaty były barwy czerwonej.

Krzyżówka (typu pisum):

A - allel dominujący - czerwona barwa kwiatu

a - allel recesywny - biała barwa kwiatu

P: AA x aa

G: A a

F1: 4 x Aa - powstają kwiaty o barwie białej

Następnie krzyżował ze sobą osobniki z pokolenia F1. W pokoleniu F2 75% osobników posiadało czerwoną barwę kwiatów, a 25% białą.

F1: Aa x Aa

F2: AA; Aa; Aa; aa

	A	a
A	AA	Aa	Stosunek fenotypowy: 3:1
a	Aa	aa	Stosunek genotypowy: 2:1:1

• Drugie prawo Mendla (prawo niezależnej segregacji cech) - geny należące do jednej pary alleli są dziedziczone niezależnie od genów należących do drugiej pary alleli.

W tym doświadczeniu Mendel krzyżował dwie podwójne homozygoty: jedna wysoka o czerwonej barwie kwiatów (homozygota dominująca); druga niska, o białej barwie kwiatów (homozygota recesywna).

A - allel dominujący - czerwona barwa kwiatu

a - allel recesywny - biała barwa kwiatu

B - allel dominujący - wysoka roślina

b - allel recesywny - niska roślina

P: AABB x aabb

	AB	Ab	aB	ab
AB	AABB	AAAb	AaBB	AaBb
Ab	AABb	Aabb	AaBb	Aabb
aB	AaBB	AaBb	aaBB	aaBb
ab	AaBb	Aabb	aaBb	aabb

Krzyżówka testowa (wsteczna) - krzyżujemy homozygotę recesywną z P z osobnikiem z pokolenia F1 - jeżeli otrzymamy stosunek fenotypowy 1:1 wtedy wiemy, że cecha podlega dziedziczeniu cytoplazmatycznemu i osobnik z pokolenia F1 był heterozygotą.

Dziedziczenie typu Zea - allele równocenne  po skrzyżowaniu rodziców o różnych cechach (np.: kwiaty o barwie białej i o barwie czerwonej), powstaje potomstwo posiadające cechę pośrednia (np..: różowa barwa kwiatów).

B - czerwona barwa kwiatów

B' - biała barwa kwiatów

P: BB x B'B'

G: B B'

F1:BB'

Współdziałanie genów:

Epistaza -tłumienie przejawiania się cechy warunkowanej przez odpowiedni gen, sam gen nie koduje żadnej cechy.

 W układzie homozygoty dominującej:

_ _ BB - blokada danej cechy

_ _ Bb - cecha jest blokowana nie w pełni, jest widoczna u potomstwa, ale w znacznie mniejszym stopniu

 W układzie homozygoty recesywnej

_ _ bb - zachodzi epistaza - cecha jest blokowana

 W układzie heterozygoty:

A - barwa czerwona

A_Bb - cecha jest blokowana (ujawniłaby się przy A_bb)

Geny dopełniające - zjawisko współdziałania genów nieallelicznych w dziedziczeniu cech polega na tym, że jedna cehca organizmu jest uwarunkowana działaniem wielu genów nie allelicznych  synteza wielu par różnych genów.

Chromagen
antocyjan

(bezbarwny)
(purpurowy)

Aby kwiat był barwny konieczna jest obecność genów odpowiedzialnych za produkcje zarówno chromagenu jak i oksydazy. Jeżeli któryś z genów będzie recesywny, kwiat pozostanie biały.

Poligeny - działanie wielogenowe - zespół genów, który determinuje jedną cechę (więcej niż jedna para genów dominujących wpływa na daną cechę), ich działanie może być zsumowane, np.: kolor włosów, skóry. Geny biorące udział w tym typie warunkowania cech nazywamy genami kumulatywnymi.

Plejotropizm - zjawisko występujące, gdy jeden gen wpływa na wiele cech fenotypowych, np szurpowatość u kur, która polega nie tylko na zniekształceniu piór, ale także niedorozwój organów wewnętrznych, przede wszystkim serca.

Cykl komórkowy

Cykl komórkowy składa się z interfazy (okresu między kolejnymi podziałami) I mitozy (fazy M). W interfazie rozróżniamy: fazę G1, fazę S i fazę G2.

Faza G1: jest to faza wzrostu. Zachodzą tu intensywne procesy anaboliczne, wzmożone wymianą chemiczna z otoczeniem oraz zwiększoną ruchliwość komórki. W tej fazie wzrasta liczba makrocząsteczek komórki  zwiększa się jej masa. Długość tej fazy decyduje o długości całego cyklu. Komórka, która przekroczy punkt R zmuszona jest do realizacji kolejnych etapów.

Faza S - synteza DNA -czas jej trwania wyznaczony jest przez replikację DNA (trwa około 8 godzin). Synteza DNA w obrębie różnych rodzajów chromatyny jądra odbywa się w różnym czasie:

• W euchromatynie syntezowana jest na początku I w środkowej części fazy S

• W heterochromatynie syntezowana jest pod koniec fazy S

Ponownie zwiększa się masa I objętość komórki. Rozpoczyna się synteza cykliny B I odbywa się synteza chistosomów.

Faza G2 - służy przygotowaniu do mitozy, przez syntezę niezbędnych białek (białko wrzeciona podziałowego). Odbywa się tu nadprodukcja składników potrzebnych do odtwarzania błony komórkowej w telofazie I cytokinezie. W późnej fazie G2 aktywuje się kinaza białkowa CDK, przyczyniająca się do późniejszego zaniku błony jądrowej I kondensacji chromosomów.

Faza G0 - faza spoczynku komórki - komórka funkcjonuje, ale traci zdolności powielania materiału genetycznego I dzielenia się. Z tej fazy może ponownie wrócić do G1.

Mitoza (faza M)

Chromosomowa teoria dziedziczności

Thomas Morgan udowodnił, że geny zlokalizowane są w chromosomach, pełnią ważną rolę w przekazywaniu cech dziedzicznych oraz że gen determinujący tę cechę znajduje się w chromosomie X.

Według teorii Morgana wszystkie geny ułożone są liniowo wzdłuż chromosomu, a każdy zajmuje określone miejsce zwane locus (l.m. loci). W locus występuje, więc jeden allel z danego genu. Geny znajdujące się w jednym chromosomie, dziedziczą się w sposób sprzężony, czyli razem.

Stąd założenie, że wszystkie geny chromosomu X sprzężone są z płcią i przekazywane łącznie.

Swoje badania prowadziła na muszce owocówce (Drosophila melanogaster), ponieważ jako niewielki owad, posiadający widoczne i łatwe do obserwacji cechy fenotypowe była bardzo dobrym obiektem badań. Jest to też organizm rozdzielno płciowy o widocznym dymorfizmie płciowym

Garnitur chromosomów składa się z 8 chromosomów w tym 6 somatycznych i 2 heterochromosomów. Samica posiada dwa chromosomy XX, samiec XY.

Doświadczenie I

W swoich badaniach wykorzystał muszki o czerwonych oczach i o innej barwie oczu. Krzyżował homozygotyczną samicę o czerwonych oczach z samcem o oczach białych. W pokoleniu F₁ wszystkie muszki miały oczy czerwone, a pokoleniu F₂ wszystkie samice miały oczy czerwone, natomiast u samców połowa miała białe, a druga połowa czerwone.

P: ♀ X^RX^R x X^rY ♂

F1:X^RX^r; X^RX^r; X^RY; X^RY

♀ X^RX^r x X^rY ♂

F2: X^RX^R; X^RX^r; X^RY; X^rY

Stosunek fenotypowy (bez względu na płeć) wynosi 3:1. Aby sprawdzić czy gen determinujący czerwoną barwę oczu znajduje się w chromosomie X należy wykonać krzyżówkę odwrotną. W potomstwie F1 białookiej samicy i czerwonookiego samca wszystkie samice mają oczy czerwone, a samce oczy białe. Stąd wniosek, że cecha sprzężona z chromosomem X jest przekazywana przez samice osobnikom męskim.

Podczas swoich badań zauważył, że istnieje analogia między zachowaniem chromosomów, a zachowaniem genów opisywanych przez Mendla. Zakładał, że geny występujące w komórkach są połączone w pary i segregacja ich następuje podczas tworzenia komórek płciowych, czyli zgodnie z założeniem pierwszego prawa Mendla.

Druga reguła Mendla sprawdza się jedynie, gdy geny determinujące dwie pary cech znajdują się w chromosomach homologicznych.

Doświadczenie II

Skrzyżował ze sobą dwie odmiany muszki owocowej: samicę o szarej barwie ciała (G) i długich skrzydłach (F) z samcem o barwie czarnej (g) i skrzydłach szczątkowych. W pokoleniu F₁ wystąpiły muszki szare o długich skrzydłach i barwie szarej (zakładamy, że samica jest podwójną homozygotą).

P: ♀ GGFF x ggff ♂

G: GF gf

F1: GgFf - muszki szare o długich skrzydłach

Po skrzyżowaniu heterozygotycznego samca z homozygotyczna samicą recesywna w pokoleniu F₂ uzyskano dwa fenotypy w równej liczbie: muszki o długich skrzydłach i szarej barwie ciała oraz muszki o szczątkowych skrzydłach i czarnej barwie ciała.

TESTOWA

P: ♀ ggff x GgFf ♂

G: GF gf gf gf

F2: GgFf; ggff - szara barwa ciała I długie skrzydła; czarna barwa ciała i szczątkowe skrzydła

Na tej podstawie wysnuto wnioski, iż wyżej opisane cechy dziedziczą się razem, a geny je determinujące umieszczone są na tej samej parze chromosomów homologicznych. Jest to całkowite sprzężenie genów. (Morgan nie brał pod uwagę crossing over).

Doświadczenie III

W przypadku krzyżowania heterozygotycznego samca i homozygotycznej samicy występuje sprzężenie genów niezupełne.

Homozygotyczna samica o szarej barwie i długich skrzydłach z czarnym samcem o skrzydłach szczątkowych w pokoleniu F₁ dają heterozygotyczne osobniki szare o długich skrzydłach. Po skrzyżowaniu heterozygotycznej samicy z F₁ z samcem czarnym o szczątkowych skrzydłach z pokolenia P a pokoleniu F₂ otrzymano cztery rodzaje osobników: szare o długich skrzydłach, czarne o skrzydłach szczątkowych, a dwa pozostałe o cechach rodzicielskich - stanowiły one 80% pokolenia F₂ i miały cechy pokolenia wyjściowego.

P: ♀ GgFf x ggff ♂

G: GF gf Gf gF

F2: GgFf; ggff; Ggff; ggFf

80% - potomstwa o cechach rodzicielskich

20% potomstwa osobniki po crossin - over

Otrzymane wyniki świadczą o tym, że geny te były sprzężone ze sobą, natomiast dwa pozostałe rodzaje osobników o wymieszanych cechach rodziców powstały na skutek zachodzącego podczas mejozy crossing - over.

U muszek owocowych proces ten zachodzi tylko u samic, ponieważ chromosomy samców nie tworzą typowych chiazm (miejsce, w którym dochodzi do wymiany chromatyd pomiędzy chromosomami homologicznymi).

PODSTAWOWE TEZY CHROMOSOMOWEJ TEORII DZIEDZICZENIA:

1. Geny zlokalizowane są na chromosomach liniowo w określonej kolejności

2. Geny alleliczne znajdują się w tych samych loci chromosomów homologicznych

3. Poszczególne chromosomy zawierają różną liczbę genów, zestaw ich jest charakterystyczny dla danego chromosomu.

4. Geny zlokalizowane w obrębie każdej pary chromosomów homologicznych są ze sobą sprzężone

5. Częstość występowania crossing - over zależy od odległości między genami - im większa, tym większe prawdopodobieństwo zajścia crossing - over.

6. Częstość crossing - over między genami w obrębie tej samej pary chromosomów jest stała dla danego gatunku

7. Organizmy powstałe z rekombinacji po crossing-over noszą nazwę rekombinantów.

Typy determinacji płci

Determinacja płci - proces występujący u wszystkich organizmów, u których występują różne płci. Rodzaj płci, jaką dany organizm wykształci, jest zależny od sygnału wywoławczego, jakim może być.

Środowisko rozwoju organizmu - uwarunkowana czynnikami środowiska, od których zależy w jakim kierunku rozwinie się "bezpłciowy zarodek"; (na przykład krokodyle czy żółwie rozwijają płeć w zależności od temperatury inkubacji jaj.

Środowisko hormonalne, w jakim rozwija się dany organizm.

Stosunek liczby autosomów do heterosomów.

Płeć podstawowa kształtuje się samorzutnie  u nas jest to płeć żeńska, u Drosophila melanogaster jest to płeć męska.

heterogenetyczność	samica	Samiec	Nazwa
Męskie	XY	XX	Lygeus
		X0	XY	Protenor
	Żeńskie	XX	XY	Abraksas
		XX	X0	fumea

2n= 2A +XX 

2n=2A +XY 

Obecność konkretnego chromosomu lub konkretnych genów (na przykład człowiek - gen SRY).

Rola genu SRY - funkcja produktu białkowego tego genu sprowadza się do funkcji regulacyjnej odpowiedzialnej za rozwój i różnicowanie wewnętrznych narządów płciowych w kierunku męskim. Głównym miejscem transkrypcji tego genu są prekursory genu Sertolego. Białko SRY może być aktywatorem transkrypcji genu kodującego wytwarzanie czynnika antymullerowego, odpowiedzialnego za zanik przewodów przyśrónerczowych i jest inhibitorem genu aromatazy P450, katalizującego przemianę testosteronu w estradiol. W komórkach zarodka płci męskiej jej aktywność jest zahamowana.

Ciałko Barra - ciemna grudka heterochromatyny, którą można zobaczyć na obrzeżach jądra komórkowego niektórych komórek kobiety. Powstaje w wyniku lionizacji jednego z chromosomów X. Jeden chromosom X w każdej komórce płciowej jest nieaktywny  ten aktywny wybierany jest losowo, może pochodzić zarówno od matki, jak i od ojca.

Hipoteza Lyon - teoria opracowana przez Marię F. Lyon, dotycząca kompensacji dawki genów znajdujących się w chromosomie płci X, głosząca, że w komórkach somatycznych, w których występuje więcej niż jeden chromosom X, nadliczbowe chromosomy zostają unieczynnione przez obniżenie stopnia acetylacji histonów oraz metylacji chromatyny na wczesnych etapach rozwoju zarodka (skutkiem inaktywacji chromosomu X jest → chromatyna płciowa); unieczynnianie chromosomów X zachodzi losowo; u niektórych gatunków występują inne mechanizmy kompensacji dawki genu. Choroby związane z tą hipotezą to:

• Zespól Turnera - kobiety nie posiadają ciałek Barra

• Zespół Klinefertera - mężczyzna posiada ciałko Barra

Fenotyp: 9 : 3 : 3 : 1

F1 - wszystkie muszki mają czerwoną barwę oczu F2 - ¾ czerwone oczy, ¼ białe oczy

3A +XX nadsamiec
3A +XX  intersex
2A +XXX  nadsamica
2A+XXY  samica
2A +X0  bezpłodny samiec
3A + XXX  samica

Punkt R

Samica

Samiec

0,33 0,5 0,67 1 1,5

normalne organizmy

nadsamica

intersex

---