GENETYKA KLASYCZNA.doc

Genetyka              semestr VI

GENETYKA KLASYCZNA

Genetyką interesowano się już w starożytności, jednak dopiero od XX w. zaczyna się ona rozwijać jako nauka. Odkrycie mikroskopu znacznie posunęło naprzód wiedzę z dziedziny rozrodu.
Holender R. de Graaf w drugiej połowie XVII w. odkrywa pęcherzyki w jajnikach zwierząt ssących i kobiety, zwane do dzisiaj pęcherzykami Graafa. Według jego poglądów, zarodek rozwija się wyłącznie z materiałów jaja, nasienie męskie pobudza je tylko do rozwoju. Holender J. Hamm odkrywa pod mikroskopem plemniki człowieka, a jego rodak A. van Leeuvenhoek widząc w spermie mężczyzny ruchliwe twory przypisuje im główną rolę w tworzeniu zarodka, natomiast jaja mają spełniać funkcję odżywczą. K.E. Baer w 1827 r. odkrywa komórkę jajową ssaków. Musiały upłynąć długie lata, nim przekonano się ostatecznie, że w procesie zapłodnienia biorą udział komórki płciowe ojca i matki. K. Darwin (1809-1882) podzielał ówcześnie panujące poglądy, że w czasie zapłodnienia następuje trwałe stopienie się substancji dziedziczonych od rodziców. Koncepcję tę obalił w XIX w. czeski zakonnik Grzegorz Mendel. Wiele podstawowych zasad genetyki ma swoje źródła w przepro- wadzonych przez niego eksperymentach. W 1865 r. przedstawił zasady dziedziczności na wykładzie w Towarzystwie Historii Naturalnej w Brnie. W 1886 r. wyniki Mendla zostały opublikowane w piśmie „Transaktionen" w artykule zatytułowanym „ Badania nad mieszańcami roślin (Versuche uber Pflanzenhybriden)”. Teoria dziedziczenia zaproponowana przez Mendla zakłada istnie- nie czynników dziedzicznych zwanych dzisiaj genami. Termin gen został wprowadzony przez W.L. Johansena w 1909 r. Mendel do doświadczeń wybrał groch zwyczajny. Groch jest łatwy w uprawie, ma wiele odmian, jego kwiaty są obupłciowe, słupki i pręciki są osłonięte płatkami korony. Po latach doświadczeń wyłonił 14 linii genetycznych, które różniły się między sobą siedmioma parami cech.

Groch zwyczajny należy do roślin samoopylnych, możliwe jest również zapylenie sztuczne, co ułatwia krzyżowanie różnych odmian. Mendel pracował na bardzo bogatym liczbowo materiale. Przeprowadzał doświadczenia na ok. 21 tys. roślin. Początkowo obserwował dziedziczenie jednej pary cech, później badania rozszerzył i śledził dziedziczenie dwóch i więcej par różniących się cech.
Sukces Mendla w dużej mierze był spowodowany doborem gatunku, w którym każda badana przez niego cecha była deter- minowana przez pojedynczą parę czynników (genów). Drugim powodem, któremu Mendel zawdzięcza swój sukces, była umiejętność pracy na bardzo dużym liczbowo materiale i statystyczne opracowanie wyników. Dzięki temu mógł interpretować uzyskane dane metodami matematycznymi, chociaż nic jeszcze nie wiedział o fizycznych podstawach dziedziczenia.
W ówczesnych czasach bardzo mało wiedziano o podziałach komórek, nie znano chromosomów.
Uwadze wielu wybitnych badaczy umknęły ważne zasady genetyki odkryte przez nieznanego mnicha i naukowca z zamiłowania. Doniesienia Mendla zostały zapomniane na ponad 34 lata. Dopiero w 1900 r. trzej uczeni: Holender H. de Vries, Niemiec C. Conens i Austriak E. von Tschermak, równocześnie i niezależnie od siebie odkryli opisane przez Mendla prawidłowości dziedziczenia. Docenili ich wagę i cytowali w publikacjach. W 1900 r. dużo więcej wiedziano o strukturze komórek i ich zachowaniu w czasie reprodukcji. Reguły Mendla są aktualne do dzisiaj i stanowią podstawę współczesnej genetyki.

Pierwsze prawo Mendla - prawo czystości gamet. - Zgodnie z pierwszym prawem Mendla podczas podziału mejotycznego komórki następuje rozdział odpowiadającej sobie pary genów (alleli). Do każdej gamety przechodzi tylko jeden allel z danej pary.

Mendel rozpoczął swoje eksperymenty krzyżując rośliny różniące się tylko jedną parą kontrastujących cech. Dziedziczenie każdej pary cech uwarunkowane jest odrębną parą alleli. Mendel krzyżując odmianę grochu o kwiatach czerwonych z odmianą o kwiatach białych, stanowiące parę rodzicielską pokolenia P(od łac. parentes), otrzymywał mieszańce pierwszego pokolenia F(od łac. fillius i fillia), wykazał, że mieszańce F1 miały cechy tylko jednego z rodziców; ich kwiaty były zabarwione na czerwono.Krzyżowanie roślin z wysokimi i niskimi łodygami dawało w F1 mieszańce o łodygach wysokich. We wszystkich przypadkach obserwowano stłumienie cech jednego z rodziców.

Cecha ujawniająca się w pokoleniu F1 była nazwana dominującą. Druga cecha, jakby ukryta w pokoleniu F1, nazwana została recesywną. Dominującym (panującym) określa się allel i odpowiadającą jemu cechę, który przejawia się już u wszystkich heterozygotycznych osobników pierwszego pokolenia (F1) powstałego przez skrzyżowanie dwóch homozygotycznych linii (dominującej i recesywnej). Allele i odpowiadające im cechy maskowane przez geny dominujące nazywane są recesywnymi lub ustępującymi. Dominujące geny (allele) oznaczane są zwykle dużymi literami, np. A, a ich recesywne odpowiedniki małymi literami alfabetu, np. a. Dominacja może być zupełna i niezupełna. Dominacja zupełna uwidacznia się już w heterozygotach, jeśli jeden z dwóch różnych alleli danego genu maskuje obecność drugiego. Jeśli np. gen A decyduje o wysokiej łodydze, natomiast gen a decyduje o niskiej łodydze, to heterozygota Aa wykształci rośliny o wysokich łodygach. Przeprowadzenie krzyżówki testowej potwierdza przewidywany przez Mendla skład genotypów pokolenia F1 (Aa). Przy pomocy krzyżówki testowej sprawdza się genotyp osobnika badanego, o którym nie wiadomo, czy jest homozygotą dominującą, czy heterozygotą. Krzyżówka ta polega na krzyżowaniu homozygoty recesywnej aa, pokolenia rodzicielskiego (P), w tym przypadku
o niskich łodygach (aa), z roślinami pokolenia F1 o wysokich łodygach (Aa lub AA). Analizując cechy potomstwa tej krzyżówki możliwe jest określenie genotypu i proporcji gamet testowanego osobnika pokolenia F1. Jeżeli w wyniku krzyżówki testowej stosunek liczby fenotypów dominujących do fenotypów recesywnych wynosi 1:1, wówczas testowany osobnik z pokolenia F1 był heterozygotą. Krzyżówka wsteczna polega na kojarzeniu heterozygot pokolenia F1 którymkolwiek z typów rodzicielskich zarówno z cechą dominującą, jak i recesywną. Krzyżówki testowe są szczególnymi rodzajami krzyżowania wstecznego. Obserwując kolory kwiatów dziwaczka (Mirabilis jalapa) stwierdzono, że nie wszystkie allele przejawiają całkowitą dominację. Dominacja niezupełna uwidacznia się w heterozygotach, jeśli allel R nie maskuje całkowicie obecności allela R'. Przykładem mogą być heterozygoty RR' o różowych kwiatach otrzymane ze skrzyżowania homozygoty RR o czerwonych kwiatach z homozygotą R'R' o kwiatach białych.

Kodominacja - polega na występowaniu alleli, które nie są związane stosunkiem dominacji - recesywności. Produkty tych alleli są wytwarzane jednocześnie i niezależnie; każdy z nich znajduje odbicie w fenotypie. Zjawisko kodominacji obserwuje się u ludzi przy dziedziczeniu grup krwi w układzie ABO, w układzie MN, czy w układzie HLA. Grupa krwi układu ABO jest cechą fenotypową, zależną od rodzaju substancji grupowych krwi. Wyróżniamy 7 grup układu ABO. Allel i jest recesywny w stosunku do pozostałych alleli ( IA i IB), natomiast allele IA i IB są względem siebie kodominujące. W potomstwie osoby z grupą krwi A i osoby z grupą krwi B mogą się pojawić heterozygoty z grupą krwi AB – kodominacja.

Zgodnie z pierwszym prawem Mendla u człowieka dziedziczy się m.in. choroba Tay-Sachsa,  fenyloketonuria,  mukowiscydoza. Fenyloketonuria jest chorobą dziedziczącą się autosomalnie recesywnie.

Pierwsze prawo Mendla pozwala przewidzieć, że:

·         Choroba występuje u homozygot recesywnych (ff), heterozygoty (Ff) są nosicielami nieprawidłowego allela.

·         Choroba występuje z taką samą częstością u obu płci.

·         Prawdopodobieństwo wystąpienia choroby u dziecka rodziców, z których jedno choruje na fenyloketonurię, a drugie jest nosicielem choroby, wynosi 50%.

·         Prawdopodobieństwo wystąpienia choroby u dziecka rodziców, z których jedno i drugie jest nosicielem choroby wynosi 25% .

·         W potomstwie rodziców, z których jedno jest nosicielem, a drugie jest zdrowe nie ujawniają się cechy choroby, ale 50% jest nosicielami recesywnego genu .

Druga reguła Mendla - Cecha uwarunkowana jedną parą genów (alleli) dziedziczy się niezależnie od cechy uwarunkowanej drugą parą genów (alleli), w związku z czym w pokoleniu F2 obserwuje się rozszczepienie fenotypów w stosunku 9:3:3:1. Dwie cechy dziedziczą się niezależnie wówczas, gdy geny warunkujące te cechy znajdują się w różnych parach chromosomów (geny nie są ze sobą sprzężone). W przypadku gdy geny warunkujące dwie rozpatrywane cechy leżą na tej samej parze chromosomów homologicznych, wówczas cechy te dziedziczą się zależnie (sprzężenie genów). Należy zaznaczyć, że jeżeli geny lub markery leżą blisko siebie na chromosomie, to wykazują całkowite sprzężenie, natomiast gdy są oddalone od siebie o 5O lub więcej jednostek mapy genetycznej (cM) to mogą segregować nieżależnie, tak jak geny lub markery występujące na dwóch różnych chromosomach.

Pierwsze prawo Mendla dotyczy genów zlokalizowanych w tym samym locus danej pary chromosomów homologicznych, natomiast druga reguła Mendla odnosi się do par genów zajmujących odrębne loci w różnych parach chromosomów (geny niealleliczne). Segregacja jednej pary genów nie ma wpływu na segregację innych par. Mendel nie ograniczał się do obserwacji pojedynczej pary alternatywnych cech. Badał również dziedziczenie dwóch par cech osobników rodzicielskich; jednego o gładkiej powierzchni i żółtym kolorze nasion, drugiego o pomarszczonej powierzchni i zielonym kolorze nasion. W pokoleniu F1 otrzymał tylko nasiona gładkie koloru żółtego.
W pokoleniu F2 wystąpiły cztery różne fenotypy:

·         nasiona żółte o gładkiej powierzchni,

·         nasiona żółte o pomarszczonej powierzchni,

·         nasiona zielone o gładkiej powierzchni,

·         nasiona zielone o pomarszczonej powierzchni.

Żółta barwa nasion determinowana jest obecnością allela dominującego A, zielona obecnością allela recesywnego a. Gładka powierzchnia nasion jest zależna od allela dominującego B, natomiast pomarszczona od allela recesywnego b. Geny niealleliczne nie są z sobą sprzężone. Pary alleli segregują w ten sposób, że jeden allel z pary jest losowo przekazywany do gamety. Prawdopodobieństwo otrzymania genu A przez gametę powstałą z podwójnej heterozygoty wynosi 1/2. Segregacja pary alleli Aa jest niezależna od segregacji pary alleli Bb i dlatego gameta otrzymuje gen B również z prawdopodobieństwem 1/2. Prawdopodobieństwo otrzymania obu genów dominujących wynosi 1/2 x 1/2 = 1/4 (iloczyn prawdopodobieństwa). W pokoleniu F1 heterozygota w obydwu parach alleli wytwarza 4 rodzaje gamet: AB, Ab, aB, ab .

Druga reguła Mendla ma zastosowanie w odniesieniu do genów znajdujących się w dwóch różnych parach homologicznych chromosomów. U ludzi np. czynniki grupowe układu ABO dziedziczą się niezależnie od czynników układu Rh.

Jeżeli geny niealleliczne zlokalizowane są na tym samym chromosomie, to najczęściej dziedziczą się łącznie (sprzężenie) i nie występuje fenotypowe rozszczepienie 9:3:3:1.

Przyjmuje się, że liczba rodzajów gamet wytwarzana przez osobnika o danym genotypie równa się 2n, gdzie n to liczba heterozy- gotycznych par alleli. Np. organizm o genotypie AaBbCCDd wytwarza 8 rodzajów gamet, ponieważ liczba heterozygotycznych par alleli wynosi trzy. Przykłady gamet wytwarzanych przez heterozygotę AaBbCCDd: ABCd, aBCd, ABCD, ... abCd.

Chromosomowa teoria dziedziczenia - W roku 1903 T. Boveri, H. de Vries, C.E. Correns, a przede wszystkim W.S. Sutton, obserwowali zależności pomiędzy genami a chromosomami, próbując wyjaśnić segregację i niezależne dziedziczenie cech postulowane przez Mendla rozchodzeniem się chromosomów w czasie podziałów komórkowych. Ich prace jednak nie zapoczątkowały badań nad chromosomową teorią dziedziczenia. Dopiero T. Morgan ze współpracownikami wykazali doświadczalnie, że geny zlokalizowane są na chromosomach. W roku 1933 T. Morgan otrzymał Nagrodę Nobla za odkrycia dotyczące roli chromosomów w przekazywaniu cech dziedzicznych, udowodnił, że gen determinujący barwę oczu u muszki owocowej zlokalizowany jest na chromosomie X. Zakładał, że wszystkie geny chromosomu X są sprzężone z płcią i przekazywane łącznie.

Muszka owocowa (Drosophila melanogaster) była i nadal jest idealnym materiałem do badań genetycznych. Dorosłe osobniki wielkości ok. 3 mm posiadają widoczne, łatwe do obserwacji cechy fenotypowe, takie jak barwa i kształt oczu, kształt i długość skrzydeł, barwa ciała (tułowia i odwłoka), liczba włosków na powierzchni ciała. Drosophila melanogaster jest rozdzielnopłciowa o wyraźnie zaznaczonym dymorfizmie płciowym.

Garnitur chromosomów (2n = 8) składa się z 8 chromosomów, tj. z 6 autosomów i 2 heterochromosomów. Samica posiada dwa chromosomy X, samiec chromosomy XY. Morgan wykorzystał w badaniach muszki szczepu dzikiego o czerwonych oczach i muszki zmutowane o innej barwie oczu. Krzyżował homozygotyczną samicę o czerwonych oczach z samcem o oczach białych. W pokoleniu F1 wszystkie muszki miały oczy czerwone. W pokoleniu F2 wszystkie samice były czerwonookie, natomiast wśród samców połowa miała oczy czerwone, a druga połowa oczy białe. Stosunek fenotypów w pokoleniu F2, bez uwzględnienia płci wynosił 3:1. W celu sprawdzenia, czy gen determinujący barwę oczu jest zlo- kalizowany w chromosomie X, można wykonać krzyżówkę odwrotną.

W potomstwie F1 białookiej samicy (XWXW) i czerwonookiego samca (X+Y) wszystkie samice mają oczy czerwone, a samce oczy białe. Cecha sprzężona z chromosomem X jest przekazywana przez samice osobnikom płci męskiej.

Morgan w swoich badaniach opierał się na ówczesnej wiedzy o mechanizmach podziałów komórkowych. Zauważył, że istnieje analogia między zachowaniem chromosomów a zachowaniem genów (cząsteczek dziedzicznych) opisywanych przez Mendla. Zakładał, że geny występujące w komórkach są połączone w pary i że segregacja ich następuje podczas tworzenia komórek płciowych, czyli zgodnie z założeniami pierwszego prawa Mendla.

Druga reguła Mendla w odniesieniu do chromosomowej teorii dziedziczenia ma zastosowanie tylko wówczas, gdy geny determinujące dwie pary cech umieszczone są w odrębnych parach chromosomów homologicznych.

Cechy determinowane przez geny zlokalizowane na tej samej parze homologicznych chromosomów dziedziczą się zazwyczaj razem.

Morgan krzyżował dwie odmiany Drosophilii: samicę o szarej barwie ciała (G) i długich skrzydłach (L), z samcem o barwie czarnej (g) i skrzydłach szczątkowych (1). W pokoleniu F1 wystąpiły muszki szare o długich skrzydłach (GgLl), ponieważ barwa szara i długie skrzydła są cechami dominującymi. Zgodnie z drugą regułą Mendla heterozygota pokolenia F1 powinna wytworzyć cztery rodzaje gamet: GL, Gl, gL, gl. Po skrzyżowaniu heterozygotycznego samca z pokolenia F1 (GgLl) z samicą homozygotyczną recesywną (ggll) w pokoleniu F2 uzyskano dwa fenotypy w równej liczbie: muszki o długich skrzydłach i szarej barwie ciała (GgLI) oraz muszki o szczątkowych skrzydłach i czarnej barwie ciała (ggll) w stosunku 1:1. Wysnuto wnioski, że wyżej opisane cechy dziedziczą się razem i geny determinujące je umieszczone są na tej samej parze homologicznych chromosomów. W tym przypadku wystąpiło całkowite sprzężenie genów .

Morgan wykazał, że sprzężenie genów tylko w niektórych warunkach jest zupełne. Obserwuje się je w przypadku krzyżowania heterozygotycznego samca z homozygotyczną samicą.

Po skrzyżowaniu homozygotycznej samicy o szarej barwie ciała i długich skrzydłach(GGLL) z samcem czarnym o skrzydłach szczątkowych (ggll) w pokoleniu F1 obserwuje się heterozygotyczne osobniki szare o długich skrzydłach (GgLI). Po skrzyżowaniu heterozygotycznej samicy (GgLl) z pokolenia F1 z samcem czarnym o szczątkowych skrzydłach (ggll) z pokolenia P w pokoleniu F2 otrzymano cztery rodzaje osobników: szare o długich skrzydłach (GgLI), czarne o skrzydłach szczątkowych (ggll), a dwa pozostałe o cechach rodzicielskich jakby wymieszanych: szare o skrzydłach szczątkowych (Ggll) oraz czarne o skrzydłach długich (ggLl) (krzyżówka testowa) (20%). Muszki o czarnej barwie ciała
i szczątkowych skrzydłach (ggll), oraz o szarej barwie i skrzydłach długich (ggLL) stanowiły ok. 80% pokolenia FZ i miały cechy pokolenia wyjściowego. Otrzymane wyniki świadczą o tym, że geny te były sprzężone z sobą, natomiast dwa pozostałe rodzaje osobników o wymieszanych cechach rodziców powstał...