Naslovnica Impresum Predgovor Sadržaj Pojmovnik Literatura

 

Neka svojstva nisu pod kontrolom gena u jezgri. Određeni broj svojstava kontroliraju geni smješteni u staničnim organelima u citoplazmi. To su citoplazmatski geni (geni DNA-organela mitohondrija i kloroplasta) koji čine iznimku u kromosomskoj teoriji nasljeđivanja. Citoplazmatsko nasljeđivanje pokazuju i geni infektivnih čestica i plazmida. Budući da se radi o vankromosomskom nasljeđivanju, takvi geni se ne ponašaju u skladu s Mendelovim zakonima nasljeđivanja – tzv. ne-Mendelovo nasljeđivanje. U citoplazmatsko nasljeđivanje spada majčinski učinak, majčinsko nasljeđivanje te nasljeđivanje infektivnih čestica i plazmida.

18.1. MAJČINSKI UČINAK

Učinak majčinskih supstanci (produkti majčinskih gena) na fenotip potomaka je MAJČINSKI UČINAK (učinak majčinog genotipa na fenotip potomaka). Takva majčinska supstanca može biti mRNA koja nastaje transkripcijom gena u primarnoj oociti te se u tom obliku prenosi citoplazmom sve do zigote gdje se očituje kao ekspresija majčinog genotipa. Majčinski učinak može se pratiti kroz nekoliko generacija i potpuno je različit od majčinskog nasljeđivanja.

Primjeri majčinskog učinka:

PIGMENTACIJA U MOLJACA

U moljca, Ephestia kühniella (http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ephestia.kuehniella.mounted.jpg) u jajima se akumulira prekursor pigmenta KINURENINA koji je rezultat ekspresije dominantnog alela A. Kada se bezbojna ženka (aa) križa s obojanim mužjakom (AA ili Aa) fenotipski omjer je kao u Mendelovom križanju. Ali ako je majka pigmentirana (AA ili Aa) sve će ličinke biti pigmentirane bez obzira na njihov genotip.
Razlog je taj što pigmentacija ličinki dolazi od kinurenina iz jajne stanice. Količina kinurenina se s vremenom smanjuje, pa će fenotip odraslih jedinki biti odraz njihovog genotipa.

 

 

Nasljeđivanje pigmentiranosti

Aa ♀ x aa ♂

Aa – obojani – i ličinke i odrasli
aa – obojani – ličinke; bezbojni – odrasli

 

aa ♀ x Aa ♂

Aa – obojani (i ličinke i odrasli)
aa - bezbojni

 

 

ZAVOJITOST KUĆICE PUŽA

U puža Lymnaea peregra desna zavojitost kućice je pod kontrolom dominantnog alela D, a lijeva zavojitost je pod kontrolom recesivnog alela d. Puž je hermafrodit pa se može razmnožavati samooplodnjom ili stranooplodnjom. Nasljeđivanje zavojitosti puževe kućice je primjer zakašnjelog nasljeđivanja po Mendelu jer se očekivani fenotipski omjer F2 generacije monohibridnog križanja javlja tek u F3 generaciji potomaka (Slika 18.1.). Razlog je taj što supstance koje nastaju u citoplazmi jajne stanice, a rezultat su ekspresije majčinih gena, utječu na ravninu prve diobe zigote (dakle na orijentaciju diobenog vretena). Nakon te prve diobe zigote određen je smjer zavijanja kućice i takav ostaje kroz čitav životni vijek životinje.

 

Slika 18.1. Majčinski učinak – nasljeđivanje zavojitosti kućice puža Limnaea peregra.

 

 

18.2. MAJČINSKO NASLJEĐIVANJE

Citoplazmatski geni prvi su puta opaženi i opisani u biljaka.1909. g. K. Correns je istraživao nasljeđivanje žutih/bijelih mrlja na listovima ukrasne biljke noćurka Mirabilis jalapa (Slika 18.2.).
Uočio je da je boja listova potomaka bila uvijek identična majčinskoj biljci , a nikada nije bila kao očinska biljka. Kasnija istraživanja pokazala su da je nasljeđivanje šarolikosti listova noćurka pod kontrolom gena u kloroplastima (Slika 18.3.) koji kontroliraju obojenost listova.
Prilikom oplodnje ženski roditelj putem jajne stanice daje zigoti ne samo jezgru već i citoplazmu s organelima, dok muški roditelj daje samo jezgru.
Razvoj zigote odvija se, prema tomu, u majčinskom okruženju, jer majčina citoplazma direktno utječe na razvitak zigote. Zigota u gore navedenom primjeru nasljeđuje sve plastide iz citoplazme jajne stanice, a ništa iz peluda. Stoga je i obojenost listova biljke koja se razvije iz takve zigote identična onoj u majčinskoj biljci. Ovakvo citoplazmatsko nasljeđivanje naziva MAJČINSKO NASLJEĐIVANJE.

 


Slika 18.2. Mirabilis jalapa (preuzeto s: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Mirabilis_jalapa11.jpg).

 

 

 

18.3. GENOM KLOROPLASTA

Kloroplastna DNA (cp DNA) je gola kružna molekula DNA vrlo slična bakterijskom kromosomu. Veličina kloroplastne DNA kreće se od 121.000 pb do 155.000 pb.
Kloroplastna DNA se replicira neovisno o jezgrinom genomu. Sadrži informaciju za oko 120 proteina: to su ribosomski proteini, RNA polimeraza i enzimi važni za fotosintezu (osnovna funkcija kloroplasta).
Određeni broj gena u genomu kloroplasta kontrolira transkripciju i translaciju, to su geni za rRNA, tRNA, podjedinice polimeraze i ribosomske proteine. Ostali geni kodiraju za podjedinice fotosintetskog elektronsko-transportnog kompleksa, ATP-aza kompleksa, veliku podjedinica ribuloza 1,5-bisfosfat karboksilaze (enzim RUBISCO). Genom kloroplasta ne sadrži sve gene potrebne za funkciju i strukturu organela. Ti su geni smješteni u jezgri stanice. Stoga su kloroplasti semi-autonomni organeli.
Funkcionalno slični geni kloroplasta pripadaju jednoj grupi (sličnost s bakterijskim operonom). Jedan kloroplast može sadržavati i do 300 kopija jedne molekule DNA.

 

18.4. GENOM MITOHONDRIJA

Sve žive stanice osim bakterija, modrozelenih algi te zrelih eritrocita sadrže mitohondrije (Slika 18.4.). To su organeli koji su centri aerobne respiracije (disanja), a imaju svoju vlastitu DNA. Mitohondrijska (mt) DNA je gola kružna dvolančana DNA koja se replicira neovisno o jezgrinom genomu. mt DNA čovjeka sadrži 16.569 pb, dok je mt DNA kvasca pet puta veća. mt DNA biljaka je još veća i pokazuje veću varijabilnost (250.000 - 2x106 pb).

Stanica kvasca ima oko 20 kopija mt DNA po mitohondriju, stanica sisavca (čovjek) 4-10 (što čini < 1% genoma), a biljna stanica 20-40 (što čini 15% od jezgrine DNA). Broj mt po stanici kreće se od 10-10.000 ovisno o organizmu i tipu stanice.

Mitohondrijska DNA razlikuje se od jezgrine u sljedećem:

Iznimku u nasljeđivanju predstavljaju kvasci i neki mekušci (dagnje) gdje je nasljeđivanje biparentalno, zatim miš kod kojega je 1/1000 mt očevog porijekla i neke golosjemenjače (sekvoja) u kojih se mt nasljeđuju putem očeve gamete.

Ljudska mtDNA nosi 37 gena (13 za proteine, 22 za tRNA i 2 za rRNA molekule koje grade ribosome mitohondrija) (http://www.nature.com/gt/journal/v15/n14/fig_tab/gt200891f1.html). Proces oksidativne fosforilacije zahtijeva najmanje 69 polipeptida. mt DNA ima gene za njih 13. Ostali dolaze iz citoplazme gdje se sintetiziraju na temelju informacije u jezgri. Ljudska mt DNA ima gene za citokrom b, 3 podjedinice citokrom oksidaze, neke podjedinice ATP-aze i 7 podjedinica NADH dehidrogenaze.

mt DNA kvasca je 5X veća od mtDNA čovjeka (78.000 pb), a ima gene za 2 rRNA, oko 30 tRNA i nekoliko membranskih proteina. Ti su geni raštrkani i odvojeni nekodirajućim regijama (introni). Veliki dio mt DNA kvasca je nekodirajući za razliku od jezgrine. Pretpostavlja se da su tijekom evolucije introni došli iz jezgre i rekombinacijom se ugradili u genom mt.

Mutacije mt DNA uzrokuju različite bolesti u čovjeka, a prenose se isključivo jajnom stanicom na svu djecu bez obzira na spol što nazivamo majčinsko nasljeđivanje (Slika 18.5.).
Različita tkiva u organizmu različito su bogata mitohondrijima. Najviše mt imaju poprečno-prugasti mišići i srčani mišić, bubrezi i središnji živčani sustav. Stoga su najčešće mitohondrijske bolesti miopatije, neurološki sindromi i kardiopatije.

Bolesti mitohondrijske patologije:

Kearus-Sayre sindrom - javlja se prije 20. godine, a karakterizira ga progresivna oftalmoplegija (defekti oka), abnormalnosti retinalnog pigmenta, srčani blok i cerebralna ataksija. Radi se o deleciji mt DNA mišića.
Leberova optička neuropatija - optička atrofija uzrokuje sljepoću oko 20.-25. godine života - degenerira očni živac, poremećaji u koordinaciji, abnormalnosti EKG-a. Radi se o mutaciji jednog od gena (gen za podjedinicu 4 NADH dehidrogenaze) koji kodira podjedinice kompleksa I u transportnom lancu elektrona.


Slika 18.5. Mutacije mt DNA izazivaju različite bolesti u ljudi, a prenose se isključivo jajnom stanicom na svu djecu bez obzira na spol.

 

18.5. PORIJEKLO KLOROPLASTA I MITOHONDRIJA

Na osnovu gore navedenog može se zaključiti da mitohondriji i kloroplasti predstavljaju potomke drevnih simbiotskih organizama koji su se naselili u drevnim prokariotskim stanicama domaćinima. Predak mitohondrija bio je primitivni oblik aerobne bakterije, a predak kloroplasta primitivni oblik cijanobakterije.

ENDOSIMBIOTSKA TEORIJA (LYNN MARGULIS):
Kloroplasti su potomci fotosintetskih prokariota, najvjerojatnije cijanobakterija.
Mitohondriji su potomci endosimbiotskih bakterija koje su bile aerobni heterotrofi
(Slika 18.6.).
Endosimbiont je stanica koja živi unutar druge stanice domaćina.

U prilog toj teoriji ide postojanje endosimbioze u današnjem svijetu, kao i sličnosti između eubakterija te mt i cp eukariota:

Simbiotska teorija prema tome objašnjava nastanak eukariotskih stanica, a mitohondriji i plastidi su potomci originalnih simbionata. Tijekom evolucije prirodna selekcija utjecala je na fiksaciju mutacija genetičkog materijala domaćina koje su pomogle očuvanju ili čak poboljšanju odnosa simbionata. Zbog toga je jezgra stanice domaćina vremenom preuzela neke od funkcija simbionta što je doprinjelo poboljšanju simbiotskog odnosa.

18.6. PORIJEKLO ČOVJEKA - analizom mt DNA

Stopa mutacije mitohondrijske DNA 10x je veća od one u jezgri jer nema mehanizma za popravak. Oko 2-4% mt DNA mutira jednom u milijun godina, što znači da će usporedba mitohondrijskih i jezgrinih DNA dati veće razlike u mitohondrijskoj nego u jezgrinoj DNA. Stopa mutacije mt DNA također nam pomaže u procjeni vremena divergencije vrsta od zajedničkog pretka (primjerice ako se mt DNA dva organizma razlikuje 1% to znači da je njihov zajednički predak živio prije 250.000 – 500.000 godina).
Mitohondrijska DNA je zaštićenija od procesa prirodne selekcije, budući da se vrlo malo ili gotovo ništa ne zna o rekombinaciji, a također pokazuje majčinsko nasljeđivanje.


1980.-tih godina počela su istraživanja porijekla modernog čovjeka na osnovu analize mt DNA. Uzeti su uzorci mt DNA žena iz 5 različitih geografskih područja: Azija, Afrika, Europa, Australija i Nova Gvineja. mt DNA je pocijepana restrikcijskim enzimima te je analiziran svaki haplotip. Pretpostavka je bila da onaj haplotip koji se najviše razlikuje je ujedno i najstariji, jer je bilo potrebno puno vremena za akumulaciju različitih mutacija. Najstariji je afrički haplotip te je prema tome naš posljednji zajednički predak bila afrička žena EVA (http://en.wikipedia.org/wiki/Mitochondrial_Eve) koja je živjela prije 200.000 godina u istočnoj Africi. Ovi se nalazi ne slažu s fosilnim nalazima, jer paleontolozi smatraju da je do odvajanja došlo prije 800.000 g. budući da se tada razvio arhaični čovjek koji je iz Afrike selio u Aziju i Europu te evoluirao u modernog čovjeka.
80% genetičkog koda modernih Europljana potječe od predaka koji su došli na europski kontinent prije više od 11.000 godina.

Porijeklo svih današnjih Europljana čini 7 ženskih loza (analizom mt DNA) i 10 muških loza (analizom polimorfizama kromosoma Y koji se prenosi po muškoj liniji).

18.7. INFEKTIVNE ČESTICE

Vankromosomske gene mogu nositi stanice domaćina u obliku plazmida, virusne ili bakterijske DNA. Ove vanjezgrine komponente utječu na fenotip domaćina, ali nisu od esencijalnog značenja za stanicu.


KAPPA čestice
1930. g. Sonneborn i sur. pomiješali su dva soja papučice (Paramecium aurelia) i primijetili da su neke praživotinje ugibale. Razlog tomu je bio toksin paramecin. Paramecin luče tzv. kappa čestice u citoplazmi papučice, koje imaju svoju vlastitu DNA. Te čestice dolaze izvana i zaražavaju stanice, dakle radi se o infektivnim česticama. Njihov suživot sa papučicom je jedan oblik simbioze, jer oba organizma imaju koristi. Kappa čestice se mogu razmnožavati unutar papučice, a budući da luče toksin paramecin papučica ga ispušta u podlogu i tako ubija ostale stanice (fenotip ubojice – “killer”) koje su osjetljive (nemaju kappa čestice).Kappa čestice su gram-negativna tjelešca koja sadrže citokrome poput onih u bakterija (smatraju se bakterijskom vrstom Caedobacter taeniospiralis). Međutim održavanje (preživljavanje) kappa čestica ovisi o genu u jezgri papučice (gen K). Ukoliko papučica nema tog gena, ugroženo je preživljvanje kappa čestica.


Mu čestice u papučice (mate killer) su također infektivne čestice. Papučice koje imaju mu čestice prilikom konjugacije ubijaju partnera (radi se isto o bakteriji, Caedobacter conjugatus).

Papučice se razmnožavaju spolnim načinom (konjugacija i autogamija; slika 18.7.a. i b.) te nespolnim (binarna dioba). Na slici 18.8. prikazana je konjugacija i autogamija te ovisnost genotipa o fenotipu (kappa čestice) papučice.

 

Slika 18.7.a. Konjugacija papučice.

 

 

 

Slika 18.7.b. Autogamija.

 

 

 

Slika 18.8. Autogamijom heterozigota Kk koji je nastao konjugacijom KK i kk s izmjenom citoplazme nastaju stabilni ubojica i osjetljiva papučica u omjeru 1:1.

 

 

Infektivne čestice uočene su i u vinske mušice. Neki sojevi vinske mušice iznimno su osjetljivi na anesteziju ugljičnim dioksidom, dok se drugi vrlo brzo oporavljaju. Uzrok tomu je prisutnost virusa SIGMA u stanicama koji dovodi do pojačane osjetljivosti na CO2. Sigma čestice prenose se iz generacije u generaciju preko ženskog roditelja (majčinsko nasljeđivanje).

18.8. PLAZMIDI

Plazmidi su male kružne molekule DNA koje nalazimo najčešće u bakterijskim stanicama, ali se javljaju i u eukariotskim stanicama (kvasci). Plazmidi sadrže gene odgovorne za neka svojstva važna stanici u kojoj se nalaze. Repliciraju se neovisno o bakterijskoj DNA. Mogu se prenositi iz stanice u stanicu i tako utjecati na fenotip, a neki se plazmidi mogu ugrađivati (integrirati) u bakterijski genom.

Neke vrste plazmida i njihova funkcija:

 

18.9. SAŽETAK