Chromosomowa teoria dziedziczenia i geny sprzężone

Niepozorna muszka owocowa (Drosophila melanogaster) stała się obiektem epokowych badań, nagrodzonych w 1933 r. Nagrodą Nobla. Na początku XX w. Thomas Morganpodczas eksperymentów prowadzonych na muszkach owocowych zaobserwował mutację powiązaną z płcią w genie wpływającym na kolor oczu: część okazów muszek miała białe oczy, zamiast charakterystycznych dla tego gatunku oczu czerwonych. Analiza dziedziczenia tej cechy, według innego wzoru u samców i u samic muszek, dała ostateczny dowód na to, że geny znajdują się w chromosomach.

Założenia chromosomowej teorii dziedziczenia

Thomas Morgan i jego współpracownicy badając muszkę owocową wykazali, że:

• chromosomy są zbiorami ułożonych liniowo genów, które nie zachodzą na siebie;

• gen zajmuje w chromosomie ściśle określone miejsce, tzw. locus (l. mn.: loci), a allele jednego genu – warunkującego określoną cechę – zajmują to samo miejsce w chromosomach homologicznych;

• geny znajdujące się w tym samym chromosomie nazywane są genami sprzężonymi i są dziedziczone razem;

• geny sprzężone mogą ulec rozdzieleniu na skutek zachodzącego podczas mejozy procesu zwanego crossing‑over, polegającego na wymianie chromatyd między chromosomami homologicznymi.

Dla zainteresowanych

Organizm modelowy to gatunek, który służy naukowcom do badania i opisywania uniwersalnych mechanizmów biologicznych, takich jak dziedziczenie cech czy podłoże genetyczne chorób. W genetyce zwierząt funkcję tę pełnią najczęściej muszka owocowa (Drosophila melanogaster) oraz nicień Caenorhabditis elegans. Z kolei najważniejszym modelem w badaniach nad genetyką roślin jest rzodkiewnik pospolity (Arabidopsis thaliana)

R1Apl9WuaR2Vj

Zdjęcie przedstawia muszkę owocową. Ma duże czerwone oczy oraz brązowożółty tułów. Siedzi na zielonym liściu.

R1ED4j3wxgA1L

Zdjęcie przedstawia zbliżenie na głowę muszki owocowej. Wyróżniają się duże, czerwone oczy złożone, zwane także oczami mozaikowymi. Na głowie ma parę szczecinek orbitalnych skierowanych w tył, które są znacznie cieńsze niż ich para skierowana w przód. Na tułowiu i głowie muszki są ciemnobrązowe plamki.

R1JZqv9psMCuc

Zdjęcie przedstawia kwiaty rzodkiewnika pospolitego. Na końcu sztywnej, rozgałęziającej się u szczytu, łodygi są czteropłatkowe, białe kwiaty. Płatki są jajowate.

RcXI2yrjA2QUl

Zdjęcie mikroskopowe przedstawia nicienia - zwinięty jest w półkole. Ma kształt robakowaty, symetryczny, bez segmentacji. W jego ciele na zdjęciu mikroskopowym widoczne są jasne plamy.

Geny sprzężone i niesprzężone

Większość chromosomów zawiera setki lub nawet tysiące genów. Geny znajdujące się na jednym chromosomie nazywane są genami sprzężonymi. Geny niesprzężone natomiast znajdują się na różnych chromosomach. 

Geny niesprzężone dziedziczą się niezależnie od siebie, zgodnie z II prawem Mendla. Dzieje się tak, ponieważ znajdują się na chromosomach niehomologicznych, które rozchodzą się do gamet w sposób losowy. 

Geny sprzężone, natomiast zazwyczaj przechodzą do gamety razem (wraz z chromosomem, na którym się znajdują) , dlatego ich dziedziczenie  jest niezgodne z II prawem Mendla.  

Obliczanie prawdopodobieństwa dziedziczenia cech sprzężonych

Analiza fenotypów potomstwa pozwala ustalić, czy geny dziedziczą się zgodnie z II prawem Mendla (są niesprzężone), czy są ze sobą sprzężone. W przypadku genów niesprzężonych (leżących na różnych chromosomach), skrzyżowanie podwójnych heterozygot daje w pokoleniu FIndeks dolny 2₂ cztery klasy fenotypowe w stosunku 9:3:3:1. 

R1G1POLAU372O

Grafika przedstawia krzyżówkę genetyczną. Allele oznaczają następujące cechy: duża literka A – nasiona żółte; mała literka a – nasiona zielone; duża literka B – nasiona gładkie; mała literka b – nasiona pomarszczone. Pokolenie rodzicielskie oznaczone jako P składa się z dwóch nasion: żółtego, gładkiego o genotypie A duże A duże B duże B duże oraz zielonego pomarszczonego o genotypie a małe b małe a małe b małe. Pokolenie potomne F indeks dolny 1 składa się z dwóch żółtych, gładkich nasion o genotypie A duże B duże a małe b małe. Pokolenie potomne F indeks dolny 2 składa się z szesnastu nasion o różnych genotypach. Wśród nich występują cztery różne fenotypy: żółte gładkie nasiona, żółte pomarszczone nasiona, zielone gładkie nasiona i zielone pomarszczone nasiona w stosunku 9:3:3:1.

Gdyby jednak te same geny były sprzężone (leżały na tej samej parze chromosomów), w pokoleniu FIndeks dolny 2₂ pojawiłyby się tylko dwie klasy fenotypowe w stosunku 3:1. Oznacza to, że dwie różne cechy sprzężone dziedziczą się tak, jakby były jedną cechą. 

R119ZU8Z5PVLG

Grafika przedstawia dziedziczenie genów leżących na jednym chromosomie. Allele oznaczają następujące cechy: duża literka A – nasiona żółte; mała literka a – nasiona zielone; duża literka B – nasiona gładkie; mała literka b – nasiona pomarszczone. Pokolenie rodzicielskie oznaczone jako P składa się z dwóch nasion: żółtego, gładkiego o genotypie A duże A duże B duże B duże oraz zielonego pomarszczonego o genotypie a małe b małe a małe b małe. Pokolenie potomne F indeks dolny 1 składa się z dwóch żółtych, gładkich nasion o genotypie A duże B duże a małe b małe. W wyniku skrzyżowania ze sobą pokolenia F indeks dolny 1 otrzymujemy pokolenie potomne F indeks dolny 2. Otrzymujemy w nim trzy nasiona żółte i gładkie i jedno nasiono zielone i pomarszczone. Stosunek fenotypów jest równy 3:1, natomiast stosunek genotypów wynosi 1:2:1.

Rozdzielenie genów sprzężonych 

Sprzężenie genów nie jest całkowite. Rozdzielenie genów sprzężonych może nastąpić na skutek crossing‑over, który polega na wymianie chromatyd między chromosomami homologicznymi podczas mejozy. Dzięki temu procesowi allele tego samego genu mogą „zamienić się miejscami” na chromosomach homologicznych. W rezultacie crossing‑over umożliwia wytworzenie nowych układów alleli. Prowadzi do powstania czterech, zamiast dwóch, typów gamet: dwóch takich jak rodzicielskie i dwóch o nowym układzie alleli.

RLQV2G3TT8OO3

Grafika przedstawia dwie pary chromosomów homologicznych przed i po crossing‑over. Chromosomy kształtem przypominają literę x. Pierwsza para chromosomów homologicznych składa się z jednego różowego chromosomu, który w dolnej części ramion ma zapisane oznaczenia: duże A, duże B, duże D oraz niebieskiego chromosomu, który w dolnej części ramion ma zapisane oznaczenia: małe a, małe b, małe d. Strzałka w prawo. Dolne części wewnętrznych ramion chromosomu różowego i niebieskiego krzyżują się ze sobą. Strzałka w prawo. W wyniku crossing‑over doszło do krzyżowej wymiany fragmentów chromosomów między chromosomami homologicznymi. Chromosom różowy posiada jedno ramię różowe oznaczone literami: duże A, duże B, duże D i drugie ramię niebieskie oznaczone literami: małe a, małe b, małe d. Znajdujący się obok chromosom niebieski posiada z kolei jedno ramię różowe oznaczone literami: duże A, duże B, duże D i drugie ramię niebieskie, oznaczone literami: małe a, małe b, małe d. Poniżej znajduje się druga para chromosomów homologicznych składająca się z jednego różowego chromosomu, który w dolnej części ramion ma zapisane oznaczenia: duże A, duże B, duże D oraz niebieskiego chromosomu, który w dolnej części ramion ma zapisane oznaczenia: małe a, małe b, małe d. Strzałka w prawo. Zakończenia wewnętrznych ramion chromosomu różowego i niebieskiego stykają się ze sobą. Strzałka w prawo. W wyniku crossing‑over doszło do wymiany niewielkiego fragmentu chromosomu między chromosomami homologicznymi. Chromosom różowy, którego jedno całe dolne ramię jest różowe ma oznaczenia: duże A, duże B, duże D i drugie ramię różowe z niebieskim zakończeniem oznaczone literami: duże A, duże B, małe d. Znajdujący się obok homologiczny chromosom niebieski posiada jedno dolne ramię niebieskie z zakończeniem różowym oznaczone literami: małe a, małe b, duże D i drugie ramię całe niebieskie, oznaczone literami: małe a, małe b, małe d.

Prawdopodobieństwo wystąpienia crossing‑over jest wprost proporcjonalne do odległości dzielącej geny na chromosomie. Gdy geny leżą blisko siebie, zwykle trafiają do gamet razem, ponieważ szansa na ich rozdzielenie jest niewielka. 

R16KT6EDVKTS8

Grafika przedstawia krzyżówkę genetyczną. W pokoleniu rodzicielskim oznaczonym jako P krzyżują się ze sobą dwa osobniki, o genotypie duże A, duże B ukośnik małe a, małe b oraz małe a, małe b ukośnik małe a, małe b. Rodzic pierwszy produkuje cztery rodzaje gamet: A duże B duże, a małe b małe, A duże b małe oraz a małe B duże. Natomiast rodzic drugi produkuje tylko jeden typ gamet: a małe b małe. W wyniku krzyżówki powstaje pokolenie potomne F indeks dolny 1. Potomstwo posiada dwie klasy fenotypów: układy rodzicielskie oraz układy zrekombinowane. Genotypy w układzie rodzicielskim pochodzące z męskich genów A duże B duże z żeńskich a małe b małe to A duże B duże ukośnik a małe b małe oraz, a z męskich a małe b małe i żeńskich a małe b małe to a małe b małe ukośnik a małe b małe, natomiast genotypy powstałe z gamet po rekombinacji podchodzące z genów męskich A duże b małe i żeńskich a małe b małe mają formę A duże b małe ukośnik a małe b małe a z męskich a małe B duże i żeńskich a małe b małe to a małe B duże ukośnik a małe b małe.

Obliczanie częstości zachodzenia crossing‑over

Na podstawie liczby rekombinantówrekombinantrekombinantów można określić częstość zachodzenia  crossing‑over pomiędzy dwoma genami oraz odległość między nimi na chromosomie. Obliczeń tych dokonuje się na podstawie wyników krzyżówki testowej.

Przeprowadza się je następująco:

Obliczenie częstości crossing‑over wymaga wielu analiz statystycznych na dużej liczbie badanych osobników. Wartość tę podaje się w procentach. Na przykład crossing‑over wynoszące 10% oznacza, że u 10% potomstwa nastąpi rozdzielenie sprzężonych ze sobą alleli badanych genów.

Mapowanie genów

Znając częstość zachodzenia crossing‑over między dwoma konkretnymi genami, można obliczyć zarówno odległość między tymi genami na chromosomie, jak i określić kolejność ich położenia.

Amerykański biolog Thomas Morgan, który opracował chromosomową teorię dziedziczenia cech, został upamiętniony w nazwie jednostki odległości między genami: 1 centymorgan (cM), inaczej 1 jednostka mapowa (j.m.), odpowiada 1% częstości crossing‑over.

Graficzne przedstawienie umiejscowienia poszczególnych genów na chromosomie nazywa się mapą genetyczną, a obliczenia – mapowaniem chromosomu lub mapowaniem genów.

R1ZNAStyQBe7G

Ilustracja przedstawia schematycznie mapę dwóch chromosomów muszki owocowej. Na chromosomach zapisane są jednoliterowe i dwuliterowe oznaczenia genów. Obok każdego z nich jest zapisana cecha kodowana przez dany gen. W pierwszej kolumnie zawarte są następujące skróty i ich opis: Duża litera S oznacza małe, szerokie oczy, małe litery dp – skośne skrzydła, mała litera d – krótkie odnóża, mała litera b – czarne ciało, mała litera j – zwężone skrzydła, małe litery pr – purpurowe oczy, małe litery cn – cynobrowe oczy, małe litery vg – zredukowane i „wywinięte” skrzydła, mała litera c – wygięte skrzydła, małe litery bw – brązowe oczy, małe litery sp – centkowane ciało. W drugiej kolumnie zawarte są następujące skróty i ich opis: mała litera y – żółte ciało, mała litera w – białe oczy, mała litera v – karmazynowe oczy, mała litera m – karłowate ciało, duża litera B – wstęgowate oczy a małe litery sw – krótkie skrzydła.

Przykład obliczania odległości między poszczególnymi genami na chromosomie oraz ustalania ich położenia na chromosomie

Geny $y$, $w$ i $m$ u muszki owocowej (Drosophila melanogaster) są położone na tym samym chromosomie. Aby określić odległości pomiędzy nimi, wykonano krzyżówkę testową, czyli skrzyżowano podwójną heterozygotę $y^{+}{w}^{+}$/$y$$w$ z podwójną homozygotą recesywną $y$$w$/$y$$w$.

Otrzymano 1080 osobników o genach w układach rodzicielskich i 120 rekombinantów. Wartości te podstawiono do wzoru:

Odległość między genami = częstość rekombinacji = [liczba rekombinantów]/[całkowita liczba potomstwa] × 100% = [wynik]% = [wynik] cM

Odległość między genami $y$ i $w$ = [(62 + 58)/(536 + 544 + 62 + 58)] × 100% = (120/1200) × 100% = 10% = 10 cM

Z obliczeń wynika, że odległość między genami $y$ i $w$ wynosi 10 cM.

Następnie przeprowadzono analogiczne obliczenia w celu sprawdzenia odległości pomiędzy genami $w$ i $m$.

Przeprowadzono również analogiczne obliczenia w celu sprawdzenia odległości pomiędzy genami $y$ i $m$.

Znając częstości rekombinacji między poszczególnymi genami można ustalić ich kolejność na chromosomie.

Jeżeli gen $y$ znajduje się w odległości 10 cM od genu $w$, gen $w$ w odległości 20 cM od genu $m$, a gen $y$ 30 cM od genu $m$, oznacza to, że na chromosomie gen $y$ znajduje się przed genem $w$, a ten z kolei przed genem $m$. Największa częstość rekombinacji oznacza, że geny $y$ i $m$ są najbardziej oddalone od siebie.

R19fl4gobjD6V

Grafika przedstawia dwa chromosomy z rozmieszczonymi na nich genami y, w i m. W chromosomie po lewej stronie, kolejno od góry znajduje się gen y, pod nim gen w (w odległości 10 centymorganów). Poniżej znajduje się gen m, w odległości 20 centymorganów od genu w. Gen y i m oddalone są od siebie o 28 centymorganów. W chromosomie po prawej stronie geny znajdują się w odwrotnej kolejności. Kolejno od góry znajduje się gen m, pod nim gen w (w odległości 20 centymorganów). Poniżej znajduje się gen y, w odległości 10 centymorganów od genu w. Gen y i m również oddalone są od siebie o 28 centymorganów.

Mapowanie genów człowieka

Niektóre organizmy można łatwo hodować i rozmnażać w warunkach laboratoryjnych, np. muszkę owocową. W przypadku organizmów, które mają długi cykl życiowy albo których nie można hodować z przyczyn etycznych, np. człowieka, analizuje się ich rodowodyrodowódrodowody genetyczne. Są to graficzne przedstawienia informacji uzyskanych z wywiadu rodzinnego. Pozwalają na ustalenie występowania w rodzinie określonych cech, np. chorób genetycznych, i sposobów ich dziedziczenia. Analiza rodowodów zwykle poprzedza szczegółowe badania z wykorzystaniem technik biologii molekularnej.

R1LGEGYN0uWzp

Grafika przedstawia ideogram ludzkiego chromosomu ósmej pary. Jest on zbudowany z ramienia krótszego (oznaczonego małą literą p) i ramienia dłuższego (oznaczonego małą literą q). Na każdym z ramion znajdują się naprzemiennie prążki ciemnoszare i jasnoszare. W krótszym ramieniu (małe p) prążki jasnoszare mają następujące oznaczenia, patrząc od znajdującego się na górnym końcu ramienia do centromeru): Punkt pierwszy: 8 małe p 23 kropka 2. Punkt drugi: 8 małe p 22. Punkt trzeci: 8 małe p 21 kropka 2. Punkt czwarty: 8 małe p 12. Punkt piąty: 8 małe p 11 kropka 22. W dłuższym ramieniu (małe q) prążki jasnoszare mają następujące oznaczenia, patrząc od znajdującego się na górze centromeru do końca ramienia): Punkt pierwszy: 8 małe q 11 kropka 22. Punkt drugi: 8 małe q 12 kropka 1. Punkt trzeci: 8 małe q 12 kropka 3. Punkt czwarty: 8 małe q 13 kropka dwa. Punkt piąty: 8 małe q 21 kropka 11. Punkt szósty: 8 małe q 21 kropka 13. Punkt siódmy: 8 małe q 21 kropka 3. Punkt ósmy: 8 małe q 22 kropka 2. Punkt dziewiąty: 8 małe q 23 kropka 1. Punkt dziesiaty: 8 małe q 23 kropka 3. Punkt jedenasty: 8 małe q 24 kropka 12. Punkt dwunasty: 8 małe q 24 kropka 21. Punkt trzynasty: 8 małe q 24 kropka 23.

Mapowanie genów pozwala naukowcom określić ich położenie na chromosomie, a zatem ocenić prawdopodobieństwo, że będą one dziedziczone wspólnie. Jest to bardzo użyteczne w hodowli zwierząt i roślin, pozwala bowiem na uzyskanie osobników o określonych pożądanych cechach i selekcję najlepszych z nich.

Podsumowanie

• Badania Thomasa Morgana na muszce owocowej potwierdziły chromosomową teorię dziedziczenia:
  - Chromosomy są liniowymi strukturami zawierającymi geny, które są ułożone liniowo i nie zachodzą na siebie.
  - Gen zajmuje określone miejsce na chromosomie – locus; allele tego samego genu leżą w tym samym locus na chromosomach homologicznych.
  - Geny znajdujące się na jednym chromosomie są sprzężone i mają tendencję do wspólnego dziedziczenia.
  - Geny niesprzężone leżą na różnych (niehomologicznych) chromosomach i dziedziczą się niezależnie (II prawo Mendla).

• Geny sprzężone może rozdzielać m.in. proces crossing‑over, który prowadzi do powstawania rekombinantów (nowych układów alleli).

• Krzyżówka testowa pozwala wykryć crossing‑over dzięki ujawnieniu fenotypów rodzicielskich (liczniejsze) i rekombinantów (mniej liczne).

• Częstość crossing‑over oblicza się na podstawie odsetka rekombinantów i wyraża się w procentach.

• Mapowanie genów pozwala ustalić kolejność genów i ich względne odległości na chromosomie. Jednostką odległości odległości jest centymorgan (cM).

Ćwiczenia utrwalające