Genetyka przeszła i współczesna
advertisement
Ewelina Nowak I prawa, którymi się rządzi... „Nic nie dzieje się przypadkiem...” - Q. Jinn 1 >>Wstęp<< GENETYKA jest obecnie najszybciej rozwijającą się dziedziną naukową związaną ściśle z biologią. Zajmuje się badaniem zagadnień związanych z budową, przekazywaniem zawartości informacyjnych i ekspresją genów. Ale co tak bardzo pociąga ludzi w dziedziczności? Poszukiwanie nieśmiertelności? Kształtowanie własnych cech, możliwości? Nadawaniu komórkom niemożliwych, wydawałoby się, umiejętności? Klonowanie, mutacje, transgenika, inżynieria genetyczna- to wszystko ma pomóc nam kształtować przyszłość- pomagać wymierającym gatunkom, uleczać śmiertelne choroby, zapewniać zdrowie, długie lata życia i optymalną pracę naszego organizmu. Ale czy bezpiecznie jest eksperymentować z nieposkromionymi genami? Czy z nieprzewidywalnych reakcji, w nieznanych procesach, ryzykownych próbach, które mają doprowadzić nas do szczytu dominacji i doskonałości, nie tracimy równocześnie cząstki człowieczeństwa i naturalności? Korzystając z szerokich, wręcz niewyobrażalnych korzyści oferowanych nas przez wciąż niezdobyte tajemne przemiany genetyczne powinniśmy pamiętać, że to Natura jest naczelnym genetykiem na naszej małej planetce, Ziemi, i że to Ona „zaprojektowała” nas w sposób optymalny. A Natura nie lubi zmian. Chwali sobie ciągłość. Stąd też i DZIEDZICZNOŚĆ, proces przekazywania informacji genetycznej potomstwu przez rodziców, zapewniający ciągłość pokoleń. Dlatego minie jeszcze bardzo wiele czasu, zanim uda nam się przeciwstawić naszym słabościom, zanim nasz organizm oprze się maleńkiemu i prostemu wirusowi, który nawet z tak prostą budową, może powalić „wielkiego”, wspaniałego człowieka, który chce wypowiedzieć wojnę niepokonanej chorobie. Nie walczmy z Naturą, by być jeszcze lepsi. Poprawiajmy to, co jest gorsze, a nie to, co już jest doskonałe. I bądźmy w tym nader ostrożni i przewidujący... Inaczej poznamy cenę, jaką przyjdzie nam za tą doskonałość zapłacić... Ewelina Nowak >>Teksty źródłowe<< „Biologia” (wydanie I według III wydania amerykańskiego) Solomon, Berg, Martin, Villee; „Ciało człowieka” (dział „Świata Wiedzy”); „Encyklopedia Larousse’a” Larousse Gallimard oraz „Botanika i biologia komórki” Batko, Kofta i inni... >>Spis Treści<< Str. 1 Wstęp, teksty źródłowe, spis treści Str. 2-7 Rozdział 1: Materiał genetyczny i podziały komórki I. Chromosomy (str. 2-3) II. Sposoby rozmnażania i podziały komórkowe (str. 3-7) Str. 7-19 Rozdział 2: Dziedziczność I. Grzegorz Mendel i zasady dziedziczności (str. 7-9) II. Krzyżówki jedno- i dwugenowe- prawdopodobieństwo pokoleń (str.9-15) III. Rola genu (str. 15-19) Str. 19-25 Rozdział 3: Rozszerzenie I. Testy (str. 19-20) II. Dodatkowe krzyżówki (str. 20-23) III. Ilustracje (str. 22-25) R ROOZZDDZZIIAAŁŁ 11 --M Maatteerriiaałł ggeenneettyycczznnyy ii ppooddzziiaałłyy kkoom móórrkkii-- 2 II.. C Chhrroom moossoom myy * chromatyna * chromosom * centromer * kinetochor * chromatyda * satelita * gen * kariotyp * diploidalność * haploidalność * poliploidalność * gamety * zygota * Każda nowa komórka organizmu żywego musiała mieć swoją poprzedniczkę, która dzieląc się wytworzyła swą „następczynię”. Nowe komórki powstają więc w wyniku podziału innych, istniejących już komórek. Nowopowstała komórka zabiera ze sobą fragment komórki macierzystej, jakim jest kopia informacji genetycznej (DNA), która zarówno w przypadku komórek eukariotycznych jak i prokariotycznych musi zostać wpierw skopiowana w odpowiednich procesach. Jądro komórek eukariotycznych zawiera mnóstwo cząsteczek DNA, które są bardzo długie i cienkie i występują w postaci tzw. chromatyny, materiału złożonego z włókien zawierających około 60% białka, 35% kwasu deoksyrobonukleinowego (DNA) i 5% kwasu rybonukleinowego (RNA).. Chromosomy są strukturami stworzonymi przez cząstki DNA i białka, które mają zapobiegać zapętleniu się chromatyny podczas podziałów komórkowych. Chromosomy występują również u komórek prokariotycznych, w których mają jednak prostszą organizację, albowiem w obrębie jądra jest ich znacznie mniej niż u komórek eukariotycznych. Same chromosomy są bezbarwne, choć termin „chromosom” pochodzi z Greki i oznacza „ciałka barwne”. Jest to powiązane ze zdolnością chromosomów do zabarwiania się na ciemno pod wpływem wybranych barwników. W komórkach niezdolnych do podziału chromatyna tworzy cienkie i długie włókienka, które pod mikroskopem świetlnym przypominają drobne granulki. W czasie podziału komórki, chromatyna ulega kondensacji, dzięki której chromosomy tworzą widoczne pałeczkowate struktury na wzór litery „X”. Chromosom bakteryjny ma kształt kulisty i złożony jest z jednej cząsteczki DNA, połączonej z niewielką liczbą białek. Centromer chromosomu to punkt centralny, do którego podczas podziałów dołączają się nici wrzeciona podziałowego, w skład którego wchodzi struktura zwana kinetochorem, która służy jako miejsce przyczepu wspomnianych mikrotubuli. Oprócz tego w chromosomie możemy jeszcze rozróżnić ramię chromosomu (przykładowo na literze „X” byłoby to górne i dole „V”), chromatydy siostrzane (analogicznie- „<” i „>”, złączone właśnie centromerem z kinetochorem) i satelity (trabanty), drobne wypustki na końcu ramion chromosomów odpowiedzialne za tworzenie się nowego jąderka. Każdy chromosom zawiera w sobie setki a nawet tysiące genów. U człowieka istnieje ok. 30 000 genów1. Genetyka od dawna spiera się o definicję genu. Najogólniej mówiąc gen jest jednostką informacyjną warunkującą pewne cechy organizmu. Gen jest fragmentem cząsteczki DNA składający się z odcinka ulegającego kopiowaniu w procesie zwanym transkrypcją (którego produktem jest RNA) oraz sąsiadujących z nim odcinków pełniących funkcję regulatorów transkrypcji. Geny określają także strukturę wszystkich białek organizmu, również z enzymami. Liczba chromosomów w jądrze komórkowym jest stała i uwarunkowana gatunkowo tzn. taka sama dla wszystkich przedstawicieli tego samego gatunku. Komórki somatyczne2 człowieka mają 46 chromosomów. Podajmy jednak kilka przykładów innych zwierząt i roślin: krab- 200, jeden z obleńców- 2, przedstawiciel paprotników- 1000, szympans- 48, owca- 54, krowa- 60, pies- 78, gołąb- 80, zaskroniec- 36, traszka górska- 24, żaba trawna- 26, muszka owocówka- 8, pszenica- 42, jęczmień- 14, ziemniak- 48, drożdże- 17. Co dowiodły najnowsze badania nad genomem, całością DNA zawartą w jednym z haploidalnych zespołów chromosomów, które pokazały, że człowiek ma ich „tylko” 30 000, a nie jak się spodziewano 100 000! To stawia nas blisko takich organizmów jak kukurydza czy muszka owocówka! 2 Czyli komórki nierozrodcze. 1 3 Prawidłowy zestaw chromosomów nazywany jest kariotypem. Mogą się zdarzyć sytuacje, w których dany osobnik ma więcej/mniej chromosomów niż powinien. Są to jednak przypadki bardzo rzadkie. Ze względu na ilość chromosomów w jądrze możemy rozróżnić więc różne typy komórek: Komórki haploidalne- zawierające pojedynczy zestaw chromosomów, tzw. liczbę n np. gamety Komórki diploidalne- zawierające podwójny zestaw chromosomów, tzw. liczbę 2n3 np. komórki somatyczne. Komórki poliploidalne- zawierające potrójny lub nawet większy zestaw chromosomów, liczbę 3n, 4n itp. np. pszenica (o komórkach heksaploidalnych) Rozdzielenie chromosomów odbywa się w sposób wysoce zorganizowany. Większość komórek eukariotycznych dzieli się w procesie zwanym mitozą. W przypadku organizmów prokariotycznych również zachodzi odpowiedni proces, który jest jednak proporcjonalnie prostszy, ale równie precyzyjny. W rozmnażaniu płciowym eukariotów biorą udział dwie komórki płciowe, gamety, które zlewając się tworzą jedną komórkę- zygotę. U zwierząt i roślin wyższego rzędu gametami są komórki jajowa i plemnikowa. Aby zapobiec więc zwielokrotnianiu się liczby chromosomów w zygocie, komórka rodzicielska musi zawierać tylko połowę chromosomów. O redukcji chromosomów możemy mówić dzięki procesowi nieco podobnemu do mitozy, zwanego mejozą. IIII.. SSppoossoobbyy rroozzm mnnaażżaanniiaa ii ppooddzziiaałłyy kkoom móórrkkoow wee * cykl komórkowy * czas generacji * interfaza * faza G0, G1, G2, S * wrzeciono podziałowe * płaszczyzna równikowa * centriole * mikrotubule * astrosfera * mitoza * mejoza * profaza * metafaza * anafaza * telofaza * kariokineza * cytokineza * I i II podział mejotyczny * biwalent, tetrada * chromosomy homologiczne * Crossing-Over * interkineza * chiazmy * bruzda podziałowa * blaszka środkowa * rozmnażanie bezpłciowe, płciowe * Życie komórki zatacza kręgi wokół niezmiennego schematu zwanego cyklem komórkowym, który w komórkach zdolnych do podziału trwa od jednego podziału do drugiego. Czas trwania cyklu określa się czasem generacji (T), który trwa ok. 8-20 godzin. Wpierw komórka rodzicielska ulega podziałowi w wyniku procesów mitozy i mejozy. Następnie następuje interfaza, czyli faza pomiędzy podziałami komórki, a kończy podział komórki. Interfaza składa się z : Fazy G1-ang. first gap phase, trwa ok. 4 godzin i zachodzi bezpośrednio po podziale komórkowym, któremu towarzyszy intensywna produkcja białek i wzrost komórki, stopniowo zwiększa się również aktywność enzymów, potrzebnych do syntezy DNA, dzięki czemu komórka może wejść w fazę S. Niektóre komórki wypadają z fazy G1 w fazę G0- są to komórki, które nie podlegają już podziałowi. Fazy S- czyli fazy syntezy, w której zachodzi synteza DNA, prowadząca do podwojenia się informacji genetycznej (czyli chromatyny w obrębie chromosomów). Łatwo ją zaobserwować- można wyznakować DNA przy pomocy radioaktywnej tymidyny (prekursora DNA), która sprawia, że ma ona charakterystyczny granulowaty wygląd. Trwa ok. 10 godzin. Fazy G2- trwa ok. 4 godzin, kiedy komórka przygotowuje się do własnego podziału i rozpoczyna się synteza białek wrzeciona podziałowego. Koniec fazy G2 to początek mitozy. Liczba 2n oznacza, że chromosomy w obrębie komórki występują w parach. Chromosomy w każdej parze to tak zwane chromosomy homologiczne. 3 4 Dzieląca się komórka opisywana jest na ogół jako kula z równikiem, oznaczającym płaszczyznę równikową (środkową lub inaczej płytce metafazowej), i dwoma biegunami. Między biegunami pojawia się system włókienek białkowych- mikrotubul tworzących wrzeciono podziałowe (inaczej: mitotyczne, kariokinetyczne). Wrzeciono rozdziela chromosomy w procesie anafazy, ale o tym za chwilę. Powstawanie wrzeciona podziałowego zachodzi odmiennie u roślin i zwierząt. W komórkach zwierzęcych każda z dwóch centrioli4, podwaja się w interfazie, zaś mikrotubule rozchodzą się promieniście w rejonach par centrioli, które przemieszczają się do przeciwległych biegunów. Na biegunach zaś tworzą się dodatkowe wiązki mikrotubul, tworzące rejon astrosfery. Mikrotubule odchodzące od centrioli możemy podzielić na: astralne (odchodzące w kierunkach odwrotnych do chromosomów z płaszczyzny równikowej), polarne (inaczej biegunowe; rozciągające się do równika, ale nie łączące się z kinetochorami) i kinetochorowe (biegnące od biegunów do kinetochorów w centromerach chromosomów). W komórkach zwierzęcych mikrotubule wrzeciona podziałowego kończą się w rejonie otaczającym centriole, wypełnionym tzw. materiałem pericetriolarnym, ale nie stykają się z samymi centriolami. Zaś w komórkach roślin wyższych analogiczny rejon nazywany jest centrum organizacji mikrotubul (ang. MTOC) MITOZA jest procesem ciągłym, w którym komórka niezauważalnie przeskakuje z jednego etapu w drugi i w którym dana komórka macierzysta ulega podziałowi na dwie komórki potomne o identycznym zestawie chromosomów co komórka macierzysta. Mitoza zapewnia m. in. regenerację tkanek dorosłych organizmów, ich wzrost a nawet produkcję komórek rozrodczych (np. u komórek haploidalnych roślin). Nie zapewnia jednak rekombinacji genetycznej, jak to jest w przypadku mejozy. Trwa na ogół do 2 godzin. Mitoza składa się z dwóch faz: 1. Kariokinezy- podziału jądra, która składa się z czterech etapów: Profazy- w której następuje kondensacja chromatyny (spiralizacja nici chromatyny) w jądrze w chromosomy, zanika jąderko komórkowe, pęka otoczka jąderka, której resztki krążą jeszcze w cytoplaźmie, powstają wrzeciona podziałowe. Metafazy- w której chromosomy ustawiają się w płaszczyźnie równikowej wrzeciona podziałowego, a nici wrzeciona podziałowego doczepiają się do kinetochoru centromeru chromosomu. Anafazy- w której nici wrzeciona podziałowego ulegają skróceniu pod wpływem rozpadania się mikrotubul w miejscu ich połączenia z kinetochorem, w wyniku czego pęka centromer chromosomów, chromatydy siostrzane rozdzielają się i dążą one do biegunów wrzeciona. Mechanizm przemieszczania się chromosomów nie jest jeszcze dobrze poznany i pozostawia wiele wątpliwości. Telofazy- w której następuje ostateczna dekondensacja chromosomów potomnych w chromatynę, odtworzone zostają jąderko i otoczka jądrowa, wytworzona częściowa z pęcherzyków będących pozostałością po starej otoczce. Znika wrzeciono podziałowe. 2. Cytokinezy5- podziału cytoplazmy, kończącej całą mitozę rozdzieleniem się dwóch powstałych komórek, zbiega się na ogół z telofazą. W komórkach zwierzęcych cytokineza zaczyna się utworzeniem bruzdy podziałowej, złożonej z mikrofilamentów6, Centriola to jedna z 2 małych, cylindrycznych organelli ułożonych do siebie pod kątem prostym, w pobliżu jądra w cytoplaźmie komórek zwierząt i niektórych protista i roślin. Odpowiadają za wykształcenie się nici wrzeciona podziałowego. 5 Często cytokinezę uznaje się za proces osobny, nie wchodzący w skład mitozy. Dzieje się tak dlatego, ze jeśli po telofazie nie nastąpi cytokineza, tworzą się tzw. komórki wielojądrowe, co dla niektórych komórek jest nawet charakterystyczne. 6 Mikrofilamenty- cienkie włókienka zbudowane z podjednostek białka aktyny i białek towarzyszących aktynie, tworzą część cytoszkieletu. 4 5 obiegającej komórkę w rejonie równika. Bruzda ta pogłębia się dzieląc cytoplazmę aż powstaną dwie komórki potomne z odrębnymi jądrami. W komórkach roślinnych cytokineza zaczyna się od utworzenia blaszki środkowej, przegrody między dwoma komórkami, w rejonie równikowym. Formuje się z pęcherzyków powstających w aparacie Golgiego7. Następnie każda z komórek potomnych wytwarza błonę komórkową i celulozową ścianę komórkową od strony blaszki środkowej. Organelle komórki macierzystej również przekazywane są komórkom potomnym. Podczas podziału są one rozmieszczane po równo do każdej nowopowstałej komórki. MEJOZA (od „meiosis” czyli „zmniejszać się”) to proces bardziej skomplikowany, w wyniku którego komórka macierzysta ulega podziałowi na cztery komórki potomne, z których każda ma połowę mniejszą liczbę chromosomów. Mejoza występuje np. podczas tworzenia się zwierzęcych gamet lub u roślin i grzybów przy tworzeniu się zarodników. Składa się z dwóch podziałów komórkowych i zapewnia rekombinację genetyczną, czyli zmiany w DNA komórki macierzystej. Etapy mejozy to: 1. I podział mejotyczny- czyli tzw. mejoza I, w wyniku którego powstają dwie komórki potomne o zredukowanej liczbie chromosomów, złożony z: Profazy I- w której chromatyna kondensuje się w chromosomy. Chromosomy zaś łączą się w pary (tzw. chromosomy homologiczne8; chromosom pochodzący od matki nazywa się chromosomem matczynym, od ojca zaś chromosomem ojcowskim9), ustawiając się blisko siebie i tworząc tzw. biwalenty lub tetrady10, w procesie nazwanym koniugacją mejotyczną (synapsis). Pomiędzy zespolonymi chromosomami tworzy się charakterystyczna struktura zwana kompleksem synaptonemalnym, która umożliwia wymianę materiału genetycznego pomiędzy chromatydami niesiostrzanymi w procesie Crossing-Over, które są identyczne pod względem budowy, ale są nośnikami innych informacji genetycznych. Proces ten ma na celu zwiększenie różnorodności materiału genetycznego nowych komórek, co może np. zapewnić jej lepszą odporność lub przystosowanie do pewnych warunków. Chromosomy łączą się wówczas częściami chromatyd zwanymi chiazmami11 i wymieniają materiał genetyczny. Pod koniec zanika zespolenie chromosomów homologicznych; centromery z kinetochorami oddzielają się, a chromosomy są już połączone tylko chiazmami. Metafazy I- w której zanika otoczka jądrowa, z utworzone tetrady ustawiają się w płaszczyźnie równikowej wrzeciona podziałowego. Do kinetochorów doczepiają się nici wrzeciona podziałowego. Anafazy I- w której nici wrzeciona podziałowego ulegają skróceniu, chromosomy homologiczne rozchodzą się i podążają do biegunów wrzeciona, niosąc różny i przypadkowy materiał genetyczny z chromosomów matczynych i ojcowskich. Telofazy I- w której odtworzona zostaje otoczka jądrowa i rozpoczyna się cytokineza. Aparat Golgiego to organella składająca się z zespołu błon w postaci spłaszczonych woreczków, odpowiedzialna za modyfikowanie, formowanie i sortowanie białek w komórce. 8 Chromosomy homologiczne mają podobny kształt, wymiary i położenie centromeru. Pod wpływem specjalnego zabarwiania uwidacznia się charakterystyczny wzorek z prążków. Są nośnikami informacji dotyczących tych samych cech dziedzicznych (choć sama informacja nie musi być taka sama). 9 Aczkolwiek takie nazewnictwo obowiązuje jedynie przy organizmach wyższych. 10 Cytolodzy preferują nazwę biwalent, bo interesują się chromosomami homologicznymi („bi-’’ czyli „dwa”). Genetycy preferują tetradę od czterech chromatyd („tetra-”), które to z kolei ich bardziej fascynują. 11 To właśnie chiazmy decydują między innymi o kształcie chromatyd- literze „X”. „Środek” „X” to właśnie chiazma. 7 6 *Interkinezy- odpowiadającej interfazie, występuje tylko u niektórych organizmów. Nie dochodzi do replikacji chromosomów, nie ma więc fazy S. Trwa bardzo krótko. 2. II podział mejotyczny- czyli tzw. mejoza II, który przypomina mitozę, ale w proces podziału wchodzą dwie komórki. W jej wyniku powstają cztery komórki haploidalne zawierające różny materiał genetyczny12 i połowę chromosomów komórki macierzystej. Składa się z: Profazy II- w której ponownie formuje się wrzeciono podziałowe. Metafazy II- w której nici wrzeciona podziałowego dołączają się do kinetochorów centromerów chromosomów ustawionych w płaszczyźnie równikowej wrzeciona. Anafazy II- w której nici wrzeciona skracają się, pęka centromer, a chromosomy dążą do biegunów. Telofazy II- w której odtworzona zostaje otoczka jądrowa, powstaje ponownie jąderko, a chromosomy ulegają dekondensacji w chromatynę. Cytokinezy- która zachodzi identycznie jak to się działo w mitozie. Procesy mitozy i mejozy odgrywają odmienne role w cyklach życiowych różnych grup organizmów. Proste organizmy eukariotyczne są na ogół haploidalne, a jedynym stadium diploidalnym w ich życiu jest zygota, która przechodzi mejozę, by przywrócić haploidalną liczbę chromosomów. Komórki somatyczne zwierząt są diploidalne, a jedynymi komórkami haploidalnymi są gamety (które powstają w wyniku mejozy). Z kolei rośliny i niektóre glony mogą przechodzić przemianę pokoleń: diploidalny sporofit13 wytwarza w wyniku mejozy spory, które dzielą się w wyniku mitozy i tworzą haploidalny gametofit 14, który, w procesie mitozy, produkuje gamety. Gamety zlewają się i tworzą diploidalną zygotę, która dzieli się dzięki mitozie, dając początek diploidalnemu sporofitowi. Cykl się zamyka... Mechanizmy rozmnażania są odmienne dla różnych organizmów. Możemy jednak pokusić się o wyróżnienie dwóch najbardziej podstawowych: płciowego i bezpłciowego. W rozmnażaniu bezpłciowym osobnik rodzicielski dzieli się, pączkuje lub rozpada, tworząc tym samym większą liczbę osobników. To właśnie w tym rodzaju rozmnażania główną rolę odgrywa mitoza, dzięki której geny i odziedziczone cechy są identyczne co w komórce macierzystej. Właśnie tak powstałe grupy organizmów nazywa się klonami. Rozmnażanie bezpłciowe jest procesem szybkim, które umożliwia dobrze przystosowanym organizmom wytworzenie pokolenia o nie mniej gorszym przystosowaniu. W rozmnażaniu płciowym dwie gamety15, o których mówiliśmy już wcześniej, łączą się tworząc pojedynczą komórkę- zygotę. Wspominając to, co już powiedzieliśmy o mejozie, która z kolei jest decydująca w rozmnażaniu płciowym, zauważamy, że osobniki powstałe w wyniku rozmnażania płciowego nie są identyczne pod względem genetycznym (a więc na pewno nie są klonami16). Mogą więc lepiej lub gorzej przystosowywać się do środowiska, znosić choroby, mieć lepszą odporność czy nawet zmiany wewnętrzne. R ROOZZDDZZIIAAŁŁ 22 12 W wyniku procesu Crossing-Over w profazie I i przypadkowego rozdzielenia chromosomów matczynych i ojcowskich w anafazie I. 13 Sporofit to diploidalne, wielokomórkowe stadium życiowe roślin, produkujące zarodniki (czyli spory) powstające po mejozie. 14 Gametofit- pokolenie haploidalne, produkujące gamety; występuje u roślin mających w cyklu rozwojowym przemianę pokoleń. 15 Każda gameta pochodzi na ogół od innego rodzica np. komórka jajowa i komórka plemnikowa u dwóch świnek morskich, psów czy kotów; gdzie jajo pochodzi od matki a plemnik od ojca. Zdarzają się jednak i takie organizmy, które wytwarzają od razu dwa typy gamet. 16 Co nie oznacza, że organizmy powstałe w wyniku rozmnażaniu płciowego w ogóle nie mogą być klonami. Jest to problem od dawna nurtujący naukowców. Udało się już bowiem sklonować pierwsze zwierzęta, więc nic nie stoi na przeszkodzie klonowania człowieka. 7 --D Dzziieeddzziicczznnoośśćć-II.. G Grrzzeeggoorrzz M Meennddeell ii zzaassaaddyy ddzziieeddzziicczznnoośśccii * Grzegorz Mendel (na okładce)* genetyka * prawa dziedziczności * mieszańce * czystość i zróżnicowanie genetyczne * sztuczne zapylanie * pokolenie rodzicielskie (P) * pierwsze i drugie pokolenie potomne (F1, F2) * zasada dominacji * gen dominujący * gen recesywny * zasada czystość gamet * Mówiąc o dziedziczności i prawach, jakimi się rządzi, zawsze należy nam wspomnieć czeskiego zakonnika Grzegorza Mendla, żyjącego w latach 1822-1884, który na podstawie doświadczeń hodowlanych na grochu rosnącym w ogrodzie przy klasztorze Brünn (na terenie Austro- Węgier) sformułował podstawowe prawa dziedziczności: zasadę dominacji, czystości gamet (wykluczania się alleli) i niezależnej segregacji gamet, które stanowią podstawę, na której opiera się zapoczątkowana przez niego nauka- genetyka. Ale Mendel nie ograniczał się tylko do obserwacji- planował doświadczenia, zapisywał ich wyniki, poddawał je matematycznej analizie (stosował bowiem metody ilościowe). Mendel doniósł o swych odkryciach na zjeździe Brneńskiego Towarzystwa Badań Przyrodniczych i opublikował wyniki badań w sprawozdaniach naukowych tego Towarzystwa w 1866 roku. Ale w tamtych czasach biologia była nauką opisową i ilościowe metody Mendla nie znalazły uznania u współczesnych mu biologów. Prace Mendla zostały zauważone dopiero po jego śmierci, w 1900 roku, przez trójkę uczonych: Hugo DeVriesa z Holandii, Karla Corrensa z Niemiec i Ericha von Tschermaka z Austrii. Odnalezione przez nich prace Mendla doskonale tłumaczyły wyniki ich własnych badań. W tym czasie również poznano tajniki mitozy i mejozy, a W. S. Sutton w 1903 zwrócił uwagę na związek pomiędzy segregacją genów do gamet i rozchodzeniem cię chromosomów homologicznych podczas mejozy. Koncepcje Mendla odniosły ostateczny tryumf. Następcy Mendla zaobserwowali ścisły związek pomiędzy przekazywaniem informacji genetycznej między pokoleniami a zachowaniem się chromosomów podczas mejozy, wiążąc odkrycie Mendla z konkretnymi strukturami komórki. Rozszerzenie badań nad problemami rozpatrywanymi przez Mendla potwierdziło słuszność jego koncepcji i pozwoliło wychwycić wyjątki od sformułowanych przez niego zasad takie jak sprzężenie genów czy dziedziczenie wielogenowe. Mendel krzyżował rośliny otrzymując nieraz mieszańce, czyli organizmy powstałe w wyniku skrzyżowania różnych genetycznie osobników. Kiedy czeski zakonnik rozpoczynał swoje badania w 1857 roku, mieszańce były już od dawna znane, podobnie jak dwa fakty dotyczące dziedziczenia: 1. Wszystkie rośliny potomne otrzymane ze skrzyżowania dwóch organizmów rodzicielskich tego samego typu wyglądają podobnie do nich. 2. Jeżeli skrzyżuje się dwa mieszańce, potomstwo nie utrzymuje się w typie, lecz ma zróżnicowane cechy. Niektóre osobniki przypominają rodziców, innedziadków. Jedną z największych zasług Mendla było to, że potrafił ustalić schemat pojawiania się cech rodziców u potomstwa. To właśnie Mendel jako pierwszy wyodrębnił kategorie w potomstwie mieszańcowym, przeliczył je i przeanalizował regularność pojawiania się osobników tej samej kategorii w kolejnych pokoleniach. Mendel w wielu krokach postępował podobnie jak współcześni genetycy. Ot choćby wybierając dokładnie obiekt swych badań, jakim był groch zwyczajny (Pisum sativum) , charakteryzujący się wieloma korzystnymi cechami m. in. miał wiele zróżnicowanych genetycznie odmian, łatwych w uprawie i ogólnodostępnych. Aby móc krzyżować swój groch Mendel przeprowadzał sztuczne zapylenie, które dzięki budowie tej rośliny było dość proste. 8 Kwiaty grochu są obupłciowe (mają męskie i żeńskie organy płciowe). Aby zapobiec samozapyleniu wystarczy usunąć główki pręcików (produkujące pyłek męskich części kwiatu), a na znamię słupka (część żeńskiego organu płciowego przyjmującą pyłek) nanieść pyłek pochodzący od interesującego nas kwiatu. Dzięki całkowitemu osłonięciu słupka i pręcików przez płatki korony mamy pewność, że żaden niepożądany pyłek nie dostanie się tu z zewnątrz. Mendel groch swój po prostu kupił, ale musiało minąć wiele lat zanim wyhodował groch czysty genetycznie pod względem danych cech, czyli utrzymujący się w typie. Chodziło o to, by kolejne krzyżówki wytwarzały pokolenia identyczne pod względem pewnych cech np. wysokości, koloru itp. Do ostatecznych badań Mendel wybrał 14 linii, w których pod uwagę brał 7 par przeciwstawnych cech: barwa nasion (zielone, żółte) charakter powierzchni nasion (gładkie, pomarszczone) kształt strąków (pękate, wąskie) barwa łupiny nasienia (biała, szara) umiejscowienie kwiatów na pędzie (na końcu pędu, wzdłuż całego pędu) Po skrzyżowaniu roślin pochodzących z dwóch genetycznie czystych linii o przeciwstawnych cechach, Mendel w pierwszym pokoleniu uzyskiwał potomstwo jednakowe, podobne do jednego z rodziców. Krzyżując w pokoleniu rodzicielskim, tzw. P (ang. parental), rośliny wysokie z niskimi, otrzymywał rośliny pierwszego pokolenia potomnego (mieszańców), czyli pierwszego pokolenia synowskiego, tzw. F1 (ang. first filial), które były wyłącznie wysokie. Ze skrzyżowania osobników pokolenia F1 można otrzymać kolejne pokolenie, drugie pokolenie mieszańców, czyli F2, które otrzymuje się krzyżując F1 lub przez ich samozapylenie. W jednym ze swych doświadczeń Mendel uzyskał w pokoleniu F2 787 roślin wysokich i 277 roślin niskich. Czynnik, który warunkował wiec wzrost roślin uwidocznił się dopiero w pokoleniu F2, a nie w F1. Tego typu doświadczenia zawiodły Mendla do sformułowania trzech podstawowych zasad dziedziczności. Na podstawie powyższych obserwacji Mendel wyciągnął słuszne wnioski, że każda cech dziedziczna organizmu determinowana jest przez dwa „czynniki dziedziczności”, które dziś nazywa się genami. ZASADA DOMINACJI sformułowana przez Mendla brzmi następująco: U mieszańców pokolenia F1 gen pochodzący od jednego z rodziców maskuje ekspresję genu pochodzącego od drugiego z rodziców. Gen, który ujawnia się w pokoleniu F1, nosi nazwę genu dominującego (będzie to więc gen dominujący nad genem od drugiego z rodziców i ów Mendlowski „gen maskujący”), natomiast drugi gen, ukryty w pokoleniu F1, nosi nazwę genu recesywnego. Zasada dziedziczność Mendla zaprzeczała panującym wówczas przekonaniom, jakoby to mieszańce były „mieszanką” genów rodziców, u których pojawiają się cechy pośrednie między dwójką rodziców. Dziś wiemy, że również i ta zasada nie zawsze daje się zastosować, ale stwierdzenie Mendla, że jedne gen może maskować drugi jest niewątpliwie dużym krokiem. ZASADA CZYSTOŚCI GAMET stwierdza, że, zgodnie z Mendlowską ideą, : Geny podczas podziału komórki zachowują się jak cząstki i rozchodzą w taki sposób, że do każdej komórki płciowej (rozrodczej) trafia tylko jeden gen z pary. Podczas podziału komórki gen nie zostaje naruszony17. 17 Czyli, że gen ani nie „zanieczyszcza” ani nie eliminuje innego genu. 9 Oznacza to, że gen recesywny nie zostaje utracony i może się pojawić właśnie w pokoleniu F2. Tak jak wspomnieliśmy wcześniej, zaprzeczała ona panującym przekonaniom, że u mieszańców geny zachowują się raczej jak płyn- zlewając i mieszając. Aby lepiej zobrazować tą zasadę posłużmy się wcześniejszym przykładem. Rozważamy kwestie wzrostu rośliny. Gen wzrostu wysokiego oznaczmy sobie T, natomiast gen wzrostu niskiego- t. Rośliny pokolenia F1 były wysokie ponieważ genem dominującym był gen T, a recesywnym t. Mieszaniec pokolenia F1 ma więc dwa geny, Tt, gdzie T maskuje t. Wytwarzając gamety, roślina wytworzy komórki, w których połowa będzie miała gen T, a druga połowa t. Gamety mogą się więc złączyć w następujący sposób: TT, Tt, Tt i tt. Z tego wynika, że istnieje szansa ¼ na powstanie potomstwa o genach TT, ¼ na potomstwo o genach tt i aż ½ na potomstwo o genach Tt. A skoro T > t (T dominuje nad t) toteż zarówno potomstwo TT jak i Tt będzie potomstwem wysokim. ¼ to potomstwo niskie a ¾ potomstwo wysokie, co tylko potwierdzają obserwacje Mendla- 787/1064 to rośliny wysokie, a 277/1064 to rośliny niskie! W pierwszym rozdziale powiedzieliśmy sobie, że segregacja genów jest wynikiem rozchodzenia się chromosomów homologicznych w mejozie. Podczas późniejszego zapłodnienia każda gameta wnosi do tworzącej się zygoty jedne chromosom homologiczny (jeden gen z pary- T lub t). Za czasów Mendla nie znane jeszcze było pojęcie mejozy i mitozy, dlatego sformułowane przez niego prawa budzą naprawdę wielki podziw. Aby lepiej zrozumieć zasadę niezależnej segregacji genów, musimy najpierw zapoznać się z podstawami krzyżowania. IIII.. K Krrzzyyżżóów wkkii jjeeddnnoo-- ii ddw wuuggeennoow wee-- pprraaw wddooppooddoobbiieeńńssttw woo ppookklleeńń * krzyżówka jednogenowa i dwugenowa * krzyżowanie testowe * locus (loci) * allele * homozygota * heterozygota * gen dominujący i recesywny * genom * fenotyp * genotyp * szachownica genetyczna (kwadrat Punnetta) * zasada rachunku prawdopodobieństwa * zasada iloczynu * zasada sumy * zasada niezależnej segregacji genów * Wróćmy na chwile do tego, co mówiliśmy o chromosomach. Mówiliśmy, że chromatyda utworzona jest z długiej cząsteczki DNA, której fragmentami są geny. Wiemy również, że w chromosomach homologicznych w odpowiednich pozycjach występują takie same geny tzn. kodujące cechę tej samej kategorii. Miejsce zajmowane przez dany gen w chromosomie nazywane jest terminem locus18 (w liczbie mnogiej loci). Locus może być zajęty przez np. gen warunkujący kolor kwiatu, powierzchnię nasion czy wysokość rośliny. O locus możemy mówić tylko wtedy, gdy mamy do czynienia z przynajmniej dwoma genami determinującymi daną cechę np. kwiaty białe, różowe; niska i wysoka. Geny wyznaczające różne opcje tej samej cechy np. barwy nasion czy rozmieszczenia strąków, i zajmujące odpowiadające sobie loci w chromosomach homologicznych nazywamy allelami. Każdy wariant allelu występujący zawsze w danym locus oznacza się literą lub kilkoma literami- tak jak to uczyniliśmy w naszym wcześniejszym przykładzie (T i t). Genetycy stosują co prawda bardziej skomplikowane oznaczenia, ale w przypadku pracy z prostszymi zagadnieniami używa się właśnie liter; dużych dla genów dominujących (T) i małych dla genów recesywnych (t). Wybór litery jest zazwyczaj związany z angielską nazwą pierwszego wariantu allelu znalezionego dla danego locus. Gdybyśmy np. znaleźli dominujący allel od którego zależy biała barwa kwiatów, nazwalibyśmy go W (od whitebiały), a recesywny do niego- w. Wykrycie allelu białej barwy kwiatów pozwoliło nam na identyfikacje zajmowanego przez niego locus, który w związku z tym nazwiemy locus barwy Locus w matematyce oznacza punkt nie posiadający wymiarów; locus genetyczny, stanowiący określony fragment DNA, jednak wymiary posiada! 18 10 białej, mimo iż może to zaprzeczać ogólnym przypadkom barwy kwiatów grochu. Z czego prosty wniosek, że locus nie odnosi się tylko do pozycji genu w chromosomie, ale także do kategorii cech, którą on określa. Przejdźmy teraz do krzyżówek, które najlepiej ilustrują podstawowe prawa genetyki. Termin krzyżówka oznacza zarówno krzyżowanie, jak i jego wynik w postaci potomstwa krzyżowanych osobników. Najprostszą krzyżówką genetyczną jest krzyżówka jednogenowa (jednoczynnikowa). KRZYŻÓWKA JEDNOGENOWA (jednoczynnikowa) polega na kojarzeniu dwóch osobników różniących się allelami tego samego locus. Rozważmy sobie pierwszy przykład, który będzie dotyczył przewidywanego rozszczepienia cech w pokoleniu F2. P Świnka czarna Świnka brązowa allele BB allele bb wytwarza gametę B wytwarza gametę b B b Bb Bb F1 allele Bb Świnka czarna Świnka czarna allele Bb wytwarza gametę B wytwarza gametę b wytwarza gametę B wytwarza gametę b Bb BB Bb Bb Bb bb F2 Świnka Świnka Świnka Świnka czarna czarna czarna brązowa (BB) (Bb) (Bb) (bb) Weźmy dwie świnki morskie. Rozważmy kolor ich futerka. Nie określajmy, kto jest matką a kto ojcem- wystarczy, że zaznaczamy, że produkują gamety. Niech gen B dominuje nad b. Obieramy ten sam locus- określający kolor umaszczenia. Zakładamy również, że rodzice są czyści genetycznie (jedna świnka ma geny wyłącznie czarne- BB; a druga wyłącznie brązowe- bb). Osobniki, które mają dwa identyczne allele określające daną cechę nazywane są homozygotami wobec tej cechy. Jeżeli zaś osobnik nie jest czysty genetycznie, tak jak nam to wyjdzie w pokoleniu F1 czy F2, i posiada np. dwa różne allele w tym samym locus, to mówimy o heterozygotach względem cechy. Przyjrzyjmy się więc bliżej naszej krzyżówce... W pokoleniu F1 powstały nam z dwóch homozygot dwie heterozygoty. Ze skrzyżowania heterozygot otrzymaliśmy jedną homozygotę czarną, jedną brązową i dwie heterozygoty czarne. Z czego wniosek, że prawdopodobieństwo narodzin świnek czarnych w pokoleniu F2 jest równa ¾! Gdyby to gen b był genem dominującym stawka by się odwróciła i to brązowe świnki miały by szansę ¾. Szansa narodzenia brązowej świnki jest tak niewielka, 11 albowiem powstanie ona jedynie, gdy powstanie homozygota brązowa, ponieważ gen B za każdym razem będzie dominował nad b (przez co świnka Bb będzie zawsze czarna). Istnienie alleli dominujących i recesywnych pozwala określać, jakiego rodzaju allele występują w jego genomie, całością DNA zawartą w jednym z haploidalnych zespołów chromosomów. Dla określenia cech, które ujawnianie są przez osobnika w danym środowisku, a są uwarunkowane genetycznie, używa się terminu fenotyp. Oznaczany literami skład genowy organizmu nazywa się genotypem. W naszej krzyżówce świnka brązowa jest homozygotą recesywną o genotypie bb i fenotypie brązowym. Druga świnka, czarna, jest homozygotą dominującą o genotypie BB i fenotypie czarnym. Przyjęło się, że w zapisie genotypów osobników heterozygotycznych na pierwszym miejscu umieszcza się symbol allelu dominującego, a na drugim recesywnego (czyli Bb a nie bB). Zjawisko dominacji jednego allelu nad drugim doskonale wyjaśnia, czemu jeden osobnik jest bardziej podobny do któregoś z rodziców. Nie możemy stwierdzić z góry, który allel jest dominujący, ale możemy to sprawdzić doświadczalnie- ot choćby porównując pokolenie F2 z F1 i rodzicami. Trzeba tu dodać, że allele jednego locus mogą być dominujące dla jednego gatunku a recesywne dla drugiego. Nie da się jednoznacznie powiedzieć, że dany allel jest dominujący zawsze. Przewidywanie genotypów i fenotypów ułatwia szachownica genetyczna, zwana też od nazwiska pomysłodawcy kwadratem Punnetta. Jak już wiemy, podczas mejozy heterozygotyczna świnka Bb wytwarza gamety- albo z allelem B, albo z allelem b (nigdy dwie naraz!). Liczba wytworzonych gamet obu przypadków jest zawsze równa tzn. osobnik wytwarza tyle samo gamet z allelem B co gamet z allelem b. Szachownica genetyczna umożliwia przewidzenie możliwych kombinacji połączenia dwóch gamet (w przypadku świnek- komórki jajowej i plemnika). Wzdłuż jednej krawędzi umieszcza się wszystkie rodzaje gamet wytwarzane przez jednego z rodziców, a wzdłuż drugiej krawędzi wszystkie rodzaje gamet drugiego z rodziców. Wypełniając pola symbolami genów niesionych przez każdą z łączących się gamet otrzymujemy układ genów u potomstwa. Zobaczmy jak będzie wyglądał taka szachownica dla naszego wcześniejszego przykładu dla pokolenia F1. Komórki jajowe (Bb) Plemniki (Bb) + B b B BB Bb b b Bb bb Otrzymaliśmy wynik zgodny z naszym doświadczeniem! Dwie homozygoty i dwie heterozygoty; trzy świnki czarne i jedną brązową. Dzięki szachownicy możemy wyczytać niemal wszystko. Ot choćby te stosunki: 1BB:2Bb:1bb lub ¾ świnka czarna i ¼ świnka brązowa; ¼ homozygota czarna, ¼ homozygota brązowa, ½ heterozygota czarna. Krzyżówka jednogenowa jest o tyle prosta, że kwadrat nie jest niezbędny. Jednak prawdziwe zastosowanie kwadratu Punnetta odnajdziemy przy krzyżówce dwugenowej. Ale wróćmy jeszcze do krzyżówki jednogenowej. Uzyskując trzy świnki czarne zaczynamy się zastanawiać, która z nich jest homozygotą czarną, a która tylko heterozygotą. Aby znaleźć pośród świnek o tym samym fenotypie (wszystkie są czarne) świnki heterozygotyczne należy wykonać tzw. KRZYŻOWANIE TESTOWE. Polega ono na skrzyżowaniu danej świnki ze świnką homozygotyczną o innym allelu np. homozygotą 12 brązową (bb). Żadna z gamet wytworzonych przez homozygotyczną świnkę z pokolenia rodzicielskiego nie będzie w potomstwie zamaskowana przez allel dominujący. Możemy zatem określić genotyp każdej świnki z pokolenia potomnego na podstawie jej fenotypu. Podobne krzyżowanie testowe wykonał Mendel kojarząc wysokie rośliny heterozygotyczne (Tt) z niskimi homozygotami recesywnymi (tt). Przewidział wówczas, że roślina rodzicielska wytworzy tyle samo gamet z allelem T, co z allelem t. Wobec tego uzyskane potomstwo powinno wyglądać następująco: Tt, Tt, tt, tt. Roślin o genotypie Tt jest więc tyle samo, co roślin o genotypie tt. Wykonanie krzyżówki testowej daje dodatkową możliwość bezpośredniego sprawdzenia hipotezy, że u heterozygotycznych rodziców następuje segregacja alleli w stosunku 1:1. Sformułowane przez Mendla zasady dominacji alleli i czystości gamet, o których mówiliśmy w pierwszym podrozdziale, wyjaśniają nasze obserwacje (takie jak rozkład fenotypów 3:1 u mieszańców drugiego pokolenia) i pozwoliły przewidzieć rozkład fenotypów w testowej krzyżówce jednogenowej. Krzyżówki testowe są niezbędne przy otrzymywaniu osobników homozygotycznych- np. roślin o wyłącznie białych kwiatach czy psów o wyłącznie rudym umaszczeniu. Do obliczania możliwości genetycznych kolejnych pokoleń możemy też użyć zasady rachunku prawdopodobieństwa. Aby go wyjaśnić wróćmy do naszej krzyżówki świnek. Spójrzmy na pokolenie F2. Stwierdzamy, że istnieją 3 szanse na 4, że u jakiegokolwiek z potomków ujawni się fenotyp uwarunkowany przez allel dominujący (B), i 1 szansa na 4, że będzie on miał fenotyp uwarunkowany przez allel recesywny (b). Dla oceny prawdopodobieństwa zajścia jakiegoś zdarzenia używa się niekiedy procentów, ale w naszym przypadku zawsze należy stosować ułamki zwykłe lub dziesiętne, a więc liczby zawarte między 1 a 0. Prawdopodobieństwo zaistnienia danego zdarzenia jest równe 1, a jeżeli to zdarzenia na pewno nie nastąpi- jest równe 0. Jeżeli chcielibyśmy obliczyć łączne prawdopodobieństwo wystąpienia kilku zdarzeń najlepiej zastosować omawianą wcześniej szachownicę genetyczną. Z góry zakładamy, że dwa zdarzenia są niezależne- zajście jednego nie ma wpływu na zaistnienie drugiego. Jeśli dwa zdarzenia są więc niezależne od siebie, to prawdopodobieństwo zaistnienia wszystkich tych zdarzeń jest równe iloczynowi prawdopodobieństw zaistnienia każdego z nich19. Powyższą zasadę nazywa się zasadą iloczynu i można ją spokojnie stosować to zdarzeń genetycznych. Żeby ją lepiej objaśnić posłużę się przykładem. Weźmy sobie dwójkę psich rodziców, z których każdy ma genotyp Ww. Zastanówmy się najpierw, jakie jest prawdopodobieństwo, że urodzi się szczeniak o genotypie ww. Aby szczeniak miał genotyp ww musi otrzymać allel w zarówno od matki jak i od ojca. Z wcześniejszych słów wiemy, że prawdopodobieństwo wytworzenia alleli W i w jest identyczne i wynosi ½. Prawdopodobieństwo powstania komórki jajowej matki z allelem w wynosi więc ½; podobnie jest z plemnikiem z allelem w u ojca- też ½. Oba te zdarzenia są niezależne, a zatem łączne prawdopodobieństwo powstania homozygoty ww jest równe iloczynowi poszczególnych prawdopodobieństw- ½ x ½ = ¼ .Sprawdźmy nasze obliczenia stosując szachownicę genetyczną. Komórki jajowe (Ww) Plemniki (Ww) 19 + W w W WW Ww w b Ww ww Przypomnijmy, że iloczyn dwóch ułamków jest zawsze mniejszy od ułamków, z których powstał. 13 Wynik się zgadza! Na 4 przypadki tylko 1 to osobnik o genotypie ww. Rozważmy teraz inną sytuację- kiedy dwa zdarzenia wykluczają się wzajemnie. Zdarzenia wykluczające się wzajemnie można potraktować jako dwa różne sposoby osiągnięcia tego samego celu. Jest więc oczywiste, że jeżeli istnieją dwie możliwe drogi osiągnięcia celu szansa pozytywnego wyniku wzrasta dwukrotnie. Stąd prawdopodobieństwo zajścia jednego lub drugiego z tych zdarzeń jest sumą prawdopodobieństw zaistnienia każdego z nich. Jest to taka zwana zasada sumy. Aby lepiej zilustrować zasadę sumy powróćmy do przykładu naszych psów. Ustaliliśmy, ze zarówno matka jak i ojciec mają genotyp Ww. Jakie jest prawdopodobieństwo, że urodzi się kocię o genotypie identycznym z rodzicami- Ww? Istnieją dwie możliwości powstania genotypu Ww. Albo komórka jajowa o allelu W połączy się z plemnikiem o allelu w, albo to plemnik będzie miał dominujący allel W i połączy się się komórką jajową o recesywnym allelu w. Przyjrzyjmy się bliżej prawdopodobieństwu każdej z tych dwóch sytuacji. W pierwszym przypadku istnieje prawdopodobieństwo ½ na wytworzenie plemnika o allelu w i ½ na wytworzenie komórki jajowej o allelu W. ½ x ½ = ¼ Szansa na zaistnienie pierwszej sytuacji wynosi więc ¼. Podobnie jest w drugim przypadkuwytworzenie wymienionych gamet (plemnika W i komórki jajowej w) wynosi ½, przez co ½ x ½ = ¼. Prawdopodobieństwo zaistnienia każdej z tych dwóch sytuacji wynosi więc ¼. Ponieważ obie te sytuacje wykluczają się możemy zastosować zasadę sumy. ¼ + ¼ = ½. Wróćmy do szachownicy genetycznej i sprawdźmy nasz wynik. Ponownie- jest poprawny. W 2 przypadkach na 4 wyszedł nam osobnik Ww. 2/4 = ½. Porzućmy teraz na chwilę matematyczne obliczenia i wróćmy do naszych krzyżówek. Dopiero teraz, rozważając prawdopodobieństwa wystąpienia różnych odmian w pokoleniach KRZYŻÓWKI DWUGENOWEJ (dwuczynnikowej), zauważymy, jak bardzo te obliczenia nam się przydają. Krzyżówka dwugenowa polega na krzyżowaniu osobników, u których w dwóch różnych loci występują odmienne allele. Spróbujmy więc wykonać sobie krzyżówkę dwugenową podobną do naszej wcześniejszej krzyżówki jednogenowej świnek. Ustalmy, że allel B (black- czarna) dominuje nad b, a allel L (long- długa) dominuje nad l. Powróćmy więc do trzeciej nie omawianej jeszcze zasady Mendla- ZASADY NIEZALEŻNEJ SEGREGACJI GENÓW20, która stwierdza, że: Allele dwóch różnych par genów są rozdzielane do gamet niezależnie od siebie w sposób czysto losowy. P Świnka czarna krótkowłosa BB ll Świnka brązowa długowłosa bb LL wytwarza gametę B l wytwarza gametę b L Bl Bb Ll 20 Zwana też II prawem Mendla. bL Bb Ll 14 F1 Świnka czarna długowłosa allele Bb Ll Świnka czarna długowłosa allele Bb Ll wytwarza gametę BL wytwarza gametę Bl wytwarza gametę bL wytwarza gametę bl wytwarza gametę BL wytwarza gametę Bl wytwarza gametę bL wytwarza gametę bl F2 Otrzymamy aż 16 przypadków! Spróbujmy przewidzieć pokolenie szachownicą genetyczną. Plemniki + Komórki jajowe + BL Bl bL bl BL BB LL BB Ll Bb LL Bb Ll Bl BB Ll BB ll Bb Ll Bb ll Podliczmy więc prawdopodobieństwo kolejnych przypadków: BB LL: 1/16 BB Ll: 1/8 BB ll: 1/16 Bb LL: 1/8 Bb Ll: 1/8 Bb ll: 1/8 bb LL: 1/16 bb Ll: 1/8 bb ll: 1/16 Łatwo zauważyć, że w pokoleniu F2 będą przeważać osobniki o ubarwieniu czarnym i długich włosach (9/16), mniej będzie świnek czarnych krótkowłosych bl Bb Ll Bb ll bb Ll bb ll (3/16), najmniej brązowych długowłosych (3/16) i brązowych krótkowłosych (1/16). Mendel na podstawie swoich obserwacji zauważył rozszczepienie fenotypów w stosunku liczbowym 9:3:3:1, co zawsze sprawdza się w pokoleniu F2 krzyżówki dwugenowej pod warunkiem, że badane loci występują w różnych, niehomologicznych chromosomach. Aby lepiej zrozumieć mechanizm segregacji genów należy bliżej przyjrzeć się procesowi mejozy. Wiemy bowiem, że chromosomy homologiczne ulegają losowemu ułożeniu w metafazie I. Warto też zaznaczyć, że i ta zasada ma swój wyjątek- nie bierzemy jej pod uwagę, jeżeli obie pary alleli są ze sobą sprzężone, czyli gdy są zlokalizowane w tej samej parze chromosomów homologicznych. bL Bb LL IIIIII.. R Roollaa ggeennuu Bb Ll bb LL bb Ll * mapowanie genetyczne * centimorgan * jednostka mapowa * Crossing-Over * geny sprzężone rekombinacja genetyczna * typ rodzicielski * chromosomy płci: chromosom X i Y * autosomy hermafrodytyzm (obojnactwo) * cechy sprzężone z płcią * hemizygota * allele typowe i nienormalne dawka * kompensacja i dezaktywacja dawki * ciałko Barra * wariegacja (fenotypowa mozaikowatość) * * * * 15 Karl Correns * dominowane niezupełne * kodominacja * allele wielokrotne * plejotropia * epistaza * dziedziczenie wielogenowe * poligeny * krzywa rozkładu normalnego * kojarzenie krewniacze i niekrewniacze * heterozja * naddominacja * wyższość selekcyjna heterozygoty * Wróćmy do rozdziału 1 i procesu mejozy, w którym to w profazie I chromosomy przechodzą proces koniugacji, podczas którego dochodzi do wymiany fragmentów chromosomów homologicznych czyli procesu Crossing-Over, który tak jak to wcześniej opisaliśmy polega na wycięciu odpowiadających sobie odcinków DNA i ich wymianie pomiędzy homologicznymi, niesiostrzanymi chromatydami. Do wymiany tych fragmentów dochodzi na całej długości koniugujących chromosomów znów z sposób całkowicie przypadkowy. Prawdopodobieństwo rozdzielenia się dwóch genów na skutek Crossing-Over jest tym większe, im większa jest odległość między tymi genami w chromosomie. Spróbujmy połączyć powyższe uwagi z naszymi krzyżówkami. U muszki owocowej locus genu kontrolującego kształt skrzydeł (V dla skrzydeł normalnych i v dla szczątkowych) i locus genu warunkującego barwę ciała (B dla szarej i b dla czarnej) zlokalizowane są w tej samej parze chromosomów homologicznych. Cechy obu wymienionych kategorii wykazują tendencję do dziedziczenia się razem, a warunkujące je geny noszą nazwę genów sprzężonych. Skrzyżujmy homozygotyczną muszkę o genotypie BB VV z homozygotyczną muszką o genotypie bb vv. Zauważymy, że wszystkie muszki w pokoleniu F1 będą miały szare ciało i normalne skrzydła (każda muszka z tego pokolenia będzie miała taki sam genotyp Bb Vv). Gdybyśmy zaś skrzyżowali dowolną muszkę z pokolenia F2 z homozygotą recesywną bb vv (dwugenowa krzyżówka testowa), pojawi się potomstwo w stosunku liczbowym różnym od tego, jakiego moglibyśmy się spodziewać w przypadku dwugenowej krzyżówki testowej dotyczącej genów niesprzężonych. Gdyby loci genów rozpatrywanych przez nas cech nie były sprzężone, podczas mejozy nastąpiłaby niezależna segregacja występujących w nich alleli. Wówczas heterozygotyczny osobnik rodzicielski z pokolenia F1 wytworzył by cztery różne typy gamet- BV, Bv, bV i bv (w tej samej liczbie, o czym mówiliśmy wcześniej). Niezależna segregacja alleli prowadzi do powstania nowych, nie występujących w nich alleli. Każdy proces, w wyniku którego powstają nowe kombinacje genów, nosi nazwę rekombinacji genetycznej (o której wspominaliśmy przy okazji mitozy i mejozy). W opisywanym przykładzie rekombinantami są gamety z układem Bv i bV (osobnik, który jest recesywną homozygotą wytwarza tylko jeden typ gamet- bv). Zatem po skrzyżowaniu dwóch muszek o genotypach Bb Vv i bb vv otrzymalibyśmy osobniki o czterech różnych fenotypach w stosunku liczbowym ¼ szarych o skrzydłach normalnych (Bb Vv), ¼ szarych o skrzydłach szczątkowych (bb Vv), ¼ czarnych o skrzydłach normalnych (Bb vv) i ¼ czarnych o skrzydłach szczątkowych (bb vv). Gdyby oba rozpatrywane geny były całkowicie sprzężone, wówczas wśród potomstwa znalazłyby się osobniki wyłącznie typu rodzicielskiego, czyli muszki o szarych ciałach i normalnych skrzydłach (BB VV) oraz czarnych ciałach i skrzydłach szczątkowych (bb vv). Gamety zrekombinowane na skutek Crossing-Over zawierają inne układy alleli niż ich rodzice. Jeśli loci tych alleli nie są sprzężone, rekombinanty powstają dzięki niezależnej segregacji alleli. Gdyby zaś loci były sprzężone, wówczas gamety-rekombinanty będą zawierać chromatydy o nowych kombinacjach alleli (dzięki procesowi Crossing-Over). W przykładzie z muszkami ok. 20% gamet to rekombinanty (bV i Bv): 10% muszek o genotypie Bb vv i ok. 10% muszek o genotypie bb Vv. Ok. 40% potomstwa stanowią muszki genotypu Bb Vv (szare z normalnymi skrzydłami), a pozostałe 40% muszki genotypu bb vv (czarne ze szczątkowymi skrzydłami, a więc, podobnie jak drugie 40%, typu rodzicielskiego- niezrekombinowanego!). Genetyczna odległość pomiędzy loci dwóch rodzajów w chromosomach mierzona jest w tzw. jednostkach mapowych (rekombinacji), które wyrażają częstość występowania Crossing-Over między wymienionymi loci w procentach. Istnieje pewna wzajemna relacja 16 między genetyczną a fizyczną odległością między loci. Żeby obliczyć procent powstałych rekombinacji, należy zsumować liczbę rekombinantów obu typów (10 + 10 = 20), otrzymaną sumę podzielić przez całkowitą liczbę potomstwa (40 + 40 + 10 + 10 = 100 toteż 20 : 100 = 0,2) i pomnożyć przez 100 (0,2 x 100 = 20[%]). Przyjęto, że 1% rekombinacji pomiędzy dwoma różnymi loci odpowiada jednej jednostce mapowej (centimorganowi). Z czego prosty wniosek, że loci z naszego przykładu są odległe o 20 jednostek mapowych. Jeżeli wszystkie geny zlokalizowane są w tym samym chromosomie (są zwykle dziedziczone razem), tworzą one tak zwaną grupę genów sprzężonych. Ich liczba wyznaczona testowa równa się liczbie par chromosomów homologicznych. Sprzężenia genowe wykorzystywane są do opracowania map chromosomów, wykorzystując np. technologię sztucznej rekombinacji DNA. Mówiąc o niezwykle ogromnej roli genu, należy koniecznie wspomnieć o warunkowaniu płci. Tą kwestią zajmują się tzw. chromosomy płci, które jako jedyne stanowią wyjątek w regule, którą powiedzieliśmy na początku- że chromosomy homologiczne mają na ogół ten sam kształt i wielkość. U osobników żeńskich wielu gatunków zwierząt występują dwa identyczne chromosomy płci zwane chromosomami X. Z kolei u samców odnajdujemy jeden chromosom X i mniejszy od niego chromosom Y (oba te chromosomy częściowo koniugują ze sobą podczas mejozy). Każdy mężczyzna posiada 22 pary autosomów; czyli chromosomów nie związanych z płcią, oraz chromosomy X i Y. Każda kobieta ma również 22 pary autosomów oraz dwa chromosomy X. Na podstawie badań osób z zaburzeniami zestawu chromosomów (np. zespołu Klinefeltera, Turnera) uczeni doszli do wniosku, że płeć męską determinuje chromosom Y. W przypadku człowieka i innych gatunków zwierząt o chromosomach płci X i Y, połowa wytwarzanych plemników posiada chromosom X, druga zaś połowa- Y. Odwrotnie jest w przypadku osobników żeńskich, gdzie we wszystkich komórkach jajowych znajdują się chromosomy X. Jeżeli więc komórka jajowa zostanie zapłodniona przez plemnik o chromosomie X- narodzi się osobnik żeński. Jeżeli zaś będzie to plemnik o chromosomie Y- narodzi się osobnik męski. Wychodzi więc na to, że stosunek osobników obu płci powinien wynosić 1:1. Ale tak nie jest! Powstaje więcej zygot płci męskiej niż żeńskiej, które w stosunku do nich częściej obumierają przed urodzeniem. Zresztą nawet w momencie narodzin stosunek 1:1 nie ma miejsca- na 100 urodzonych dziewczynek rodzi się 106 chłopców! Nie wyjaśniono jeszcze przyczyny tego zjawiska. Najwyraźniej chromosom Y ma jakąś ukrytą przewagę nad chromosomem X. Tak czy inaczej sam mechanizm determinacji płci nie jest jednakowy dla wszystkich gatunków. Istnieją również i takie organizmy, u których męskie i żeńskie narządy płciowe występują u tego samego osobnika. Takie zjawisko nosi nazwę obojnactwa lub hermafrodytyzmu21. W przypadku człowieka w chromosomie X znajduje się wiele genów potrzebnych do życia osobnikom obu płci, chromosomie Y natomiast znajdują się głównie geny związane z cechami męskości, których jest o wiele mniej w stosunku do tych w chromosomie X. Cechy warunkowane przez geny chromosomu X (np. barwa tęczówki, hemofilia) noszą nazwę cech sprzężonych z płcią (z chromosomem X). Tak więc dziewczynka będzie miała chromosomy X od matki i drugi od ojca. Chłopak otrzyma chromosom X od matki i Y od ojca. U chłopca pojawią się wszystkie allele zawarte w chromosomie X (bez względu na to, czy są dominujące czy recesywne). Osobnik płci męskiej jest hemizygotą w odniesieniu do loci występujących w chromosomie X. Termin „hemi” znaczy pół- osobnik hemizygotyczny nie jest heterozygotą ani homozygotą (pod względem sprzężonych z płcią cech). Do zapisu alleli związanych z chromosomem X używa się indeksu stawianego obok litery X. Indeksu takiego Jako przykład można tu podać większość roślin nasiennych. Jeśli organy płciowe męskie i żeńskie znajdują się na tych samych roślinach mówimy o jednopienności (np. dąb, kukurydza); jeżeli zaś na różnych mówimy o dwupienności (np. szparagi). 21 17 nie stosuje się w przypadku chromosomu Y, albowiem nie zawiera on interesujących nas alleli. W większości loci sprzężonych z płcią allel warunkujący cechę nietypową (nienormalną) jest u ludzi recesywny, allel cechy typowej (normalnej)- dominujący. Allele nienormalne ujawniają się w różnych okolicznościach np. kiedy w chromosomach X kobiety występują dwa recesywne allele, a u hemizygotycznego mężczyzny pojawi się nienormalny pojedynczy allel. Ale kobieta może być też nosicielką nienormalnej alleli. Niektóre cechy również związane z płcią nie są sprzężone z chromosomem X, a przekazywane są potomstwu przy udziale genów w autosomach, natomiast ekspresja tych genów uzależniona jest od płci. Przykładem może być np. allel odpowiedzialny za łysienie (charakterystyczne u kobiet i u mężczyzn). Wspominając o uniwersalności i niezbędność chromosomu X warto dodać, że samica ma aż dwie kopie, czyli dawki, alleli dla każdego locus, podczas gdy samiec posiada tylko jedną dawkę. Jak to się dzieje, że jedna dawka samca może dorównać dwóm dawką samicy? Dzieje się tak za sprawą pracy mechanizmu kompensacji dawki. Wiąże się to z większą aktywnością chromosomu X samca, który nieraz wykazuje aktywność równą aktywności dwóch chromosomów X samicy. Ale u ssaków sprawy mają się inaczej- jeden z chromosomów X samicy zostaje dezaktywowany. Twórcą tej teorii jest brytyjska genetyczka Mary Lyon, która wysunęła wymienioną hipotezę, a na podstawie obserwacji stwierdziła, że drugi, nieaktywny chromosom X można zaobserwować pod świetlnym mikroskopem w postaci tzw. ciałka Barra, ciemna, chromatynowa plamka. Skoro więc w komórkach samic ssaków czynny jest tylko jeden chromosom X, toteż u heterozygot w odniesieniu do dowolnego sprzężonego z płcią locus, w każdej komórce dochodzi do losowego wyłączenia jednego z alleli (więc w połowie komórek ujawni się jeden allel, a w drugiej połowie drugi). Czasami można to zjawisko zaobserwować w fenotypie. Geny sprzężone z płcią warunkujące barwę sierści występują np. u kotów i myszy. Heterozygotyczne (pod względem tych genów) samice mogą mieć więc kolorowe łaty na tle sierści innej barwy. Takie zjawisko nazywa się wariegacją (lub fenotypową mozaikowatością). Skoro mówimy o fenotypie, dobrze byłoby dodać co nie co o współzależności genotypu i fenotypu. Jeżeli przyjrzelibyśmy się zależności między genem danego locus a kontrolowaną przez niego cechą łatwo zauważymy, że może być ona albo prosta (jedna para alleli zajmująca ten sam locus może warunkować ujawnienie się jednej z dwóch cech tej samej kategorii- tak jak to było z krzyżówkami naszych świnek), ale są i przypadki, będące zresztą bardziej powszechne, że ta zależność jest o wiele bardziej złożona- para alleli tego samego locus może kontrolować kilka cech naraz lub współdziałać w przejawianiu jednej cechy. Ekspresja genów w formie fenotypu zależy od wpływów środowiska, w którym żyje osobnik. Bo fenotyp to nie tylko barwa sierści, rozmiar ciała, ale także odporność, organizacja fizjologiczna itd. Sam gen zaś nie zawsze musi być dominujący. Nie używamy wówczas terminów gen dominujący czy recesywny, bo nie miało by to celu. Jako przykład tej niezwykłej zależności posłużmy się rośliną nazywaną dziwaczkiem (Mirabilis). U dziwaczka kwiaty są najczęściej czerwone lub białe. Jeżeli rośliny się samozapylają, utrzymują się w typie. Ale jeżeli skrzyżujemy dziwaczka o kwiatach czerwonych z białymi otrzymamy dziwaczka o kwiatach różowych! Taką krzyżówkę wykonał Karl Correns, o którym mówiliśmy przy okazji życiorysu Mendla. Po skrzyżowaniu ze sobą dwóch roślin o kwiatach różowych, Correns otrzymał potomstwo F2 o trzech typach roślin: białych, różowych i czerwonych w stosunku 1:2:1, co tylko potwierdziło teorię Mendla. W tym przykładzie łatwo zauważamy, że dziwaczek o kwiatach różowych jest heterozygotą, w którym nie dominuje ani allel czerwony ani biały. Jeżeli taka heterozygota ma fenotyp pośredni między fenotypami rodziców, to 18 mówimy, że geny warunkujące ten pośredni fenotyp wykazują dominowanie niezupełne. Podobne wyniki otrzymalibyśmy w przypadku groszku pachnącego lub wielu innych zwierząt czy roślin. Innym zjawiskiem związanym z współzależnością genów nosi nazwę kodominacji i polega na niezależnym ujawnianiu się genów (gdybyśmy chcieli objaśnić to zjawisko na przykładzie dziwaczka, to po skrzyżowaniu dziwaczka o kwiatach czerwonych z dziwaczkiem o kwiatach białych otrzymalibyśmy, w wyniku kodominacji, dziwaczka o kwiatach... w biało-czerwone łatki!). Podsumowując- z dominacją niezupełną mamy doczynienia, gdy fenotyp osobnika heterozygotycznego jest pośredni w stosunku do fenotypów rodziców; a o kodominacji mówimy, jeżeli dwie allele u heterozygoty ujawniają się niezależnie. Może podajmy jeszcze jeden przykład. Krzyżujemy dwa psy- jeden jest biały a drugi czarny. O dominacji niezupełnej powiemy wtedy, gdy ich potomstwo będzie szare; natomiast o kodominacji, gdy wyjdzie nam szczeniak w łaty biało-czarne. Powiedzieliśmy sobie, że o przypadkach, w których dany locus reprezentują dwie allele. Ale tych alleli może być więcej- wówczas mówimy o allelach wielokrotnych. Czasem nawet zdarza się i tak, że allele wielokrotne występują w wielu loci! Na ogół dający się zidentyfikować allel determinuje szczególny fenotyp, toteż w zależności od sposobu zestawienia alleli u danych osobników mogą powstać różne układy cech dominujących i recesywnych. Większość genów wywołuje różnorodne efekty; właściwość tę określamy jako plejotropię. Plejotropia może przejawiać się np. w chorobach genetycznych, które uzależnione są od jednej pary alleli. Przykładem wielorakich efektów pary alleli mogą być np. albinosy- brak barwnika w skórze, włosach i tęczówce jednocześnie. Geny mogą też współdziałać w zjawisku epistazy, w którym obecność określonej pary alleli jednego wpływa na ekspresję pary innych alleli. Wiele cech złożonych, zarówno zwierząt jak i ludzi, które warunkowane są genetycznie, dziedziczone są przy współudziale wielu par alleli występujących w różnych loci. Przekazywanie potomstwu cech odbywających się za pośrednictwem wielu różnych genów, nosi nazwę dziedziczenia wielogenowego. Termin ten odnosi się do sytuacji, w których wiele par niezależnych genów oddziaływuje na tą samą cechę, a efekty ich działania sumują się. Takie geny nazywamy poligenami (genami kumulatywnymi, polimerycznymi). Biorą one udział np. w dziedziczeniu koloru skóry u ludzi. Ponieważ efekty poligenów sumują się możemy się pokusić o narysowanie wykresu na podstawie stwarzanych przez nie możliwości. Wykres ten, o charakterystycznym kształcie dzwonu, nosi nazwę tzw. krzywej rozkładu normalnego. Na koniec warto jeszcze dodać o zaletach i wadach niektórych krzyżówek, niosących ze sobą często niepożądane geny i kończące się niepożądanym efektem końcowym. Największe niebezpieczeństwo niosą ze sobą kojarzenia krewniacze (hodowla wsobna), w których krzyżowane są osobniki blisko spokrewnione. Takie kojarzenia nie rzadko kończą się chorobami genetycznymi, czy osłabieniem całej populacji, gdyż homozygotyczne osobniki dziedziczą również geny negatywne. Istnieje również drugi sposób- kojarzenie niekrewniacze- gdzie kojarzone są osobniki całkowicie nie spokrewnione. Prowadzi ono do pojawienia się potomstwa często lepiej przystosowanego do życia w określonych warunkach (zjawisko tzw. heterozji, wigoru mieszańców, bujności mieszańcowej- najlepiej obserwuje się je na przykładzie krzyżówki dwóch osobników o genotypach AAbbCCdd i aaBBccDDpotomstwo może otrzymać genotyp AaBbCcDd- same cechy korzystne!), o lepszej odporności lub pojedynczych cechach. Możemy też mówić o naddominacji, zjawisku, w którym dany osobnik o heterozygotycznym układzie alleli w jednym locus wykształca fenotyp o cechach skrajniejszych niż fenotyp dowolnego z rodziców. Jeżeli taki fenotyp byłby 19 szczególnie korzystny mówilibyśmy o wyższości selekcyjnej heterozygoty (przewadze heterozygoty). R ROOZZDDZZIIAAŁŁ 33 --R Roozzsszzeerrzzeenniiee-II.. T Teessttyy * testy wg „Biologii” Villee’go * powtórzenie informacji * Na zakończenie pozwoliłam sobie uzupełnić wszystkie testy z „Biologii” Villee’go tyczące się omawianego przez nas tematu- podziałów komórkowych, chromosomów i dziedziczności. Zainteresowanych zachęcam do samodzielnego wypełnienia. Mogą też doskonale posłużyć za powtórkę lub streszczenie. 1. Prawdopodobieństwo cech rodziców i ich potomstwa uwarunkowane jest zjawiskiem dziedziczności. 2. Chromosomy złożone są z włókien chromatynowych, w skład których wchodzą białka, DNA i RNA. 3. Okres od początku jednego podziału komórkowego do następnego nosi nazwę cyklu komórkowego. 4. DNA dla nowego zestawu chromosomów syntetyzowany jest podczas stadium fazy S cyklu komórkowego. 5. Dla ułatwienia opisu proces mitozy podzielony został na cztery fazy: profazę, metafazę, anafazę i telofazę. 6. Podwojony chromosom składa się z pary chromatyd siostrzanych. 7. Centromer każdej z chromatyd zawiera wyspecjalizowane struktury, kinetochory, do których przyłączają się niektóre włókna wrzeciona. 8. Okres, podczas którego chromosomy ustawione są w płytce równikowe komórki, nosi nazwę metafazy. 9. Podział cytoplazmy, w wyniku którego powstają dwie komórki potomne, nosi nazwę cytokinezy.10. Rozpad, pączkowanie lub fragmentacja pojedynczego organizmu rodzicielskiego, prowadzące do powstania dwóch lub większej liczby organizmów potomnych nosi nazwę rozmnażania bezpłciowego. 11. Grupa identycznych genetycznie osobników nazywana jest klonami. 12. Chromosomy tworzące parę nazywa się homologicznymi. 13. Komórki zawierające dwa kompletne zestawy chromosomów są diploidalne, podczas gdy te, które zawierają więcej niż dwa kompletne zestawy chromosomów są poliploidalne. 14. Gamety zawierają haploidalną liczbę chromosomów. 15. Zespolenie chromosomów homologicznych podczas profazy I nazywane jest koniugacją. Układ chromosomów wytworzony przez to połączenie nosi nazwę tetrady lub biwalentu. 16. Wymiana odcinków homologicznych chromatyd zachodzącą podczas profazy I mejozy nosi nazwę Crossing-Over. 17. U człowieka, którego diploidalna liczba chromosomów wynosi 46, każdy plemnik lub komórka jajowa wnosi do zygoty 23 chromosomy. 18. Przemiana pokoleń haploidalnych i diploidalnych występuje u roślin i niektórych glonów. 1. Specyficzne miejsce w chromosomie zajmowane przez określony gen nosi nazwę locus. 2. Geny determinujące różne warianty tej samej cechy (np. zieloną lub żółtą barwę nasion) i zajmujące odpowiadające sobie loci w chromosomach homologicznych noszą nazwę alleli. 3. Kojarzenie osobników różniących się allelami jednego locus nosi nazwę krzyżowania jednogenowego. 4. Zespół genów występujących w organizmie, zapisywany umownie w postaci symboli literowych, określa się mianem genotypu. 5. Ujawniona przez organizm 20 cecha (lub zespół cech) uwarunkowana genetycznie nosi nazwę fenotypu. 6. Allel, który przejawia się w pełni w fenotypie heterozygoty, określamy mianem allelu dominującego. 7. Allel recesywny może się przejawić tylko w organizmie homozygotycznym. 8. Organizm, u którego w odpowiadających sobie loci chromosomów homologicznych występują dwa identyczne allele jest homozygotyczny w odniesieniu do danego locus; organizm, u którego w odpowiadających sobie loci chromosomów homologicznych występują dwa różne allele jest heterozygotyczny w odniesieniu do danego locus. 9. Potomstwo pokolenia rodzicielskiego (P) nosi nazwę pierwszego pokolenia synowskiego; oznaczamy je symbolem F1. 10. Prawdopodobieństwo, że dwa zdarzenia niezależne wystąpią jednocześnie, jest równe iloczynowi prawdopodobieństw wystąpienia każdego z nich osobno. 11. Prawdopodobieństwo, że z dwóch wykluczających się zdarzeń wystąpi jedno lub drugie, jest równe sumie prawdopodobieństw wystąpienia każdego z nich. 12. Prawdopodobieństwo równe 1 oznacza pewność zajścia zdarzenia; prawdopodobieństwo równe 0 oznacza niemożność zajścia zdarzenia. 13. W przypadku krzyżówek dotyczących pary alleli, z których jeden wykazuje dominację niezupełną, w potomstwie obserwuje się rozszczepienie fenotypów i genotypów w 1:2:1 stosunku liczbowym. 14. Kojarzenie osobników różniących się parami alleli dwóch locus nosi nazwę krzyżowania dwugenowego. 15. Jeśli jakąś cechę organizmu determinuje wiele genów, których podobne efekty sumują się, mówimy, że cechę tę kontrolują poligeny. 16. Jeśli w populacji występują trzy lub większa liczba alleli reprezentujących dany locus, mamy doczynienia z allelami wielokrotnymi. 17. Geny zlokalizowane w tym samym chromosomie są na ogół dziedziczone razem; geny takie nazywamy sprzężonymi. 18. Kojarzenie ze sobą osobników blisko spokrewnionych nosi nazwę kojarzenia krewniaczego. 19. Potomstwo rodziców nie spokrewnionych może mieć cechy dające im większą szansę przeżycia w porównaniu z rodzicami. Zjawisko to nazywamy heterozją. IIII.. D Dooddaattkkoow wee kkrrzzyyżżóów wkkii * inne typy krzyżówek * identyfikowanie genów rodziców i potomstwa * spekulowanie genotypów * Warto rozważyć też inne aspekty oferowane przez krzyżówki i związane z nimi obliczenia. Spróbujmy najpierw rozważyć np. krzyżówkę, w której ten sam locus będą reprezentować trzy różne allele. Niech G będzie genem szarym (grey- szary), g genem czarnym, W białym (white- biały). Załóżmy, że gen W<G P Świnka szara Gg Świnka biała Wg wytwarza gametę G wytwarza gametę g wytwarza gametę W wytwarza gametę g Gg Wg F1 Komórki jajowe (Wg) 21 Plemniki (Gg) + W g G WG Gg g b Wg gg W<G Już w pierwszym pokoleniu uzyskaliśmy ciekawe wyniki. Z dwóch heterozygotycznych co do barwy świnek- szarej i białej- powstaną nam świnki: heterozygoty białe (WG, Wg), heterozygoty szare (Gg) i... czarna homozygota (gg)! Największe prawdopodobieństwo powstania ma osobnik biały- ½. Co by się stało, gdyby to gen W>G? Wynik odwróciłby się: szansę ½ miałyby świnki szare (WG i Gg). Gdyby zaś gen g>W >G, wówczas ¾ świnek byłoby czarne a tylko ¼ biała- świnek szarych nie byłoby w ogóle (ich prawdopodobieństwo byłoby więc równe 0). W pokoleniu F2 otrzymalibyśmy najprzeróżniejsze typy świnek w zależności od tego, które byśmy skrzyżowali. Jakby wyglądała krzyżówka jednogenowa, w której ten sam locus reprezentują cztery różne allele? Okazuje się, że nieco podobnie. Załóżmy, że gen G to ponownie gen szary, gen g czarny, W biały a w brązowy. Niech gen G>W a gen g>w. P Świnka szara Gg Świnka biała Wg wytwarza gametę G wytwarza gametę g wytwarza gametę W wytwarza gametę w Gg Ww F1 Komórki jajowe (Ww) Plemniki (Gg) G>W g>w + W w G GW Gw g b Wg gw W tej krzyżówce z dwóch heterozygotycznych względem barwy sierści świnek otrzymaliśmy kolejno: świnkę szarą (GW i Gw), świnkę białą (Wg) i świnkę czarną (gw). Czy w następnym pokoleniu moglibyśmy otrzymać świnkę brązową? Nie. Ponieważ za każdym razem, nawet jeżeli nasza świnką o genotypie gw natrafi na inną świnkę o podobnym genotypie (ot choćby Gw) zawsze gen w będzie recesywny nawet w stosunku do recesywnego 22 genu g (który jest recesywny względem genów W i G ale dominujący względem w). Prawdopodobieństwo wystąpienia takiej świnki wynosi więc 0. Innym ciekawym aspektem jest przewidywanie możliwych genotypów. Spróbujmy przewidzieć genotypy mając dane dominujące allele, które objawiają się u potomstwa i rodziców. Jako przykład postanowiłam obrać rodzinę mojego psa, pekińczyka Dudusia. W rodzinie Dudusia ojciec jest rudy, matka zaś czarna. Możemy więc wysunąć wniosek, że u ojca dominuje gen R (red- rudy), u matki zaś gen B (black- czarny). Duduś jest rudy toteż u niego również dominuje gen R. Ale dwójka jego sióstr jest szara, a więc dominuje u nich gen szary- jako wyjątek oznaczmy go genem g, ponieważ musi być recesywny zarówno do B i R (żadne z rodziców nie było szare), chociaż dominuje nad drugim genem u tych osobników. Spróbujmy to przedstawić graficznie. P MATKA OJCIEC OJCIEC czarna rudy Bx Ry F1 Siostra 1 Szara (g?) rudy (R?) Duduś Siostra 2 szara (g?) Plemniki (Ry) Spróbujmy teraz rozważyć, jak to się stało. Nieznane nam geny oznaczyliśmy kolejne x i y. Warto tu zauważyć, że x = g lub y = g lub x = y = g. Któryś z rodziców musiał mieć w swoim genotypie gen g, szary, a więc być heterozygotycznych względem tej cechy. Rozważmy trzy przypadki: 1. KIEDY X = G, A Y ≠ G. Komórki jajowe (Bg) W tym przypadku matka jest heterozygotą (Bg) + B g względem danej cechy, a ojciec jest heterozygotą z genotypem Ry. Ponieważ mamy doczynienia z większą R RB Rg ilością osobników szarych możemy założyć, że g>y. Dla takich genotypów otrzymalibyśmy następujące y By gy potomstwo: Jakie założenia trzeba tu jeszcze dodać? Czy w genotypie RB ujawni się allel R czy B. Możemy założyć, że R, albowiem w pokoleniu F1 nie zaobserwowaliśmy osobnika czarnego. Trzeba też dodać, że zarówno g jak i y są recesywne do R i B; a dodatkowo g>y. Otrzymujemy więc: psa rudego (1/2), psa czarnego (1/4) i psa szarego (1/4). 23 3. KIEDY X = Y = G. To też interesujący przypadek- dwójka rodziców ma ten sam gen recesywny. W pokoleniu możemy się więc spodziewać homozygoty. Plemniki (Rg) Komórki jajowe (Bx) Plemniki (Rg) 2. KIEDY X ≠ G, A Y = G. Wówczas sytuacja jest podobna. Otrzymaliśmy psiaki: rude (1/2), czarne (1/4) i szare (1/4). W ten sposób widzimy nie sytuacja ta nie zmienia się w zależności od tego, który z rodziców ma w genotypie gen g. + B x R RB Rx g Bg gx Komórki jajowe (Bg) + B g R RB Rg I rzeczywiście- otrzymaliśmy szarą homozygotę gg (1/4), oprócz tego psy rude (1/2) i czarne (1/4). Oczywiście moglibyśmy także rozważać przypadki, w g Bg gg których ojciec lub matka byłaby np. Homozygotą w danej cesze np. homozygotą rudą lub homozygotą czarną, a drugi z rodziców heterozygotą z genem g w swoim genotypie. Najprostsze i najpewniejsze wyniki otrzymalibyśmy mając jeszcze dane dziadków. Wówczas moglibyśmy spekulować z większym prawdopodobieństwem. Bo łatwo zauważyć, że duża część tych obliczeń to spekulacje i założenia. Tak czy siak, Duduś pozostaje rudy... IIII.. IIlluussttrraaccjjee * mitoza * mejoza * allele i loci *
