Naslovnica Impresum Predgovor Sadržaj Pojmovnik Literatura

 

Walter Sutton & Theodor Boveri donose 1903. KROMOSOMSKU TEORIJA NASLJEĐIVANJA prema kojoj su geni dijelovi kromosoma, a ponašanje kromosoma tijekom mejoze objašnjava Mendelove principe nasljeđivanja.
To je potvrdio i Thomas H. Morgan (prvi genetičar dobitnik Nobelove nagrade 1933.) otkrićem prvog spolno-vezanog gena za boju oka vinske mušice. Mendelova istraživanja odnosila su se na nasljeđivanje gena (svojstava) koji se nalaze na različitim kromosomskim parovima.
Geni koji se nalaze na istom kromosomu su VEZANI GENI.
Broj skupina vezanih gena (l) nekog organizma jednak je broju autosoma u haploidnom setu + spolni kromosomi (na spolnim kromosomima X i Y nalaze se različiti geni).
Npr. vinska mušica 2n=8, l = 3 + X + Y ♂ ili 3 + X ♀
čovjek 2n=46, l = 22 + X + Y (24) ♂ ili 22 + X (23) ♀

Neka svojstva u graška čije je nasljeđivanje Mendel istraživao pod kontrolom su gena na istom kromosomu: geni za visinu stabljike i oblik mahune su vezani i nalaze se na 4. paru kromosoma u graška. Premda je Mendel opazio segregaciju alela za svako od tih svojstava u monohibridnim križanjima, nije izvijestio o rezultatima dihibridnih križanja.
Kromosome čini velik broj gena koji su vezani i koji se, u pravilu, ne nasljeđuju nezavisno. Svaki organizam ima puno više gena nego kromosoma (npr. čovjek ima 23 para kromosoma i manje od 25.000 gena; vinska mušica 4 para kromosoma i oko 13.000 gena). Kromosomi su linearne strukture, pa su i geni na kromosomu poredani linearno, jedan iza drugoga, poput perli na ogrlici (otkriće Alfreda Sturtevanta Morganovog studenta i suradnika, 1913.). Morgan i njegovi suradnici su eksperimentalno pokazali na vinskoj mušici da se dva ili više gena mogu nalaziti na istom kromosomu.

7.1. POTPUNA VEZANOST GENA

Budući da se u mužjaka vinske mušice (Slika 7.1.) nikada ne događa krosingover u profazi I mejoze, svi geni na jednom kromosomu se nasljeđuju zajedno, tj. pokazuju potpunu vezanost (Slike 7.2.-7.4.).
“Jačina” vezanosti gena u mužjaka vinske mušice je 100%, jer prilikom odvajanja kromosoma u AI i sestrinskih kromatida u AII nastaju isključivo roditeljske gamete.
Krosingovera nema niti u mejozi nekih drugih vrsta: u ženki vrste Bombyx mori (dudov svilac, http://www.payer.de/entwicklung/entw08928.gif); u biljke Fritillaria japonica (japanska kockavica, http://www.shikoku-garden.com/photos/woodland%20perennials/Fri-koizumaina.jpg).

 

Slika 7.1. Mužjak (lijevo) i ženka (desno) vinske mušice.

 

 

Kod potpune vezanosti dihibridnim test-križanjem nastaju dvije fenotipske klase potomaka u omjeru 1:1. To je zbog toga što geni pokazuju potpunu vezanost, jer nema krosingovera između nesestrinskih kromatida homolognih kromosoma, pa nastaju samo dvije vrste gameta, odnosno dvije fenotipske klase potomaka u omjeru 1:1.

 

Slika 7.3. Potpuna vezanost gena cu i e objašnjena ponašanjem kromosoma u mejozi – nema krosing overa između gena cu i e, nasljeđuju se zajedno u gamete koje nazivamo roditeljske.

 

 

 

Slika 7.4. Potpuna vezanost gena; genotipovi roditelja i potomaka.

 

 

7.2. DJELOMIČNA VEZANOST

Vezani geni najčešće pokazuju djelomičnu vezanost, jer tijekom mejoze nastaje barem jedna hijazma u bivalentu što dovodi do određenog broja rekombinacija između dva vezana gena.
Test-križanjem ženki vinske mušice F1 generacije nastaju 4 fenotipske klase potomaka (Slika 7.5.a. i b.), jer ženka F1 generacije stvara 4 vrste gameta: 2 gamete su roditeljske, a 2 su rekombinantne (posljedica su krosingovera između dva gena u bivalentu). Fenotipski omjer test-križanja nije 1:1:1:1 kao kod nezavisne segregacije. Većina potomaka test-križanja su roditeljski potomci, a puno je manje rekombinantnih potomaka.

 

Slika 7.5.a. Razlika između djelomične vezanosti gena i nezavisne segregacije.

 

 

Slika 7.5.b. Djelomična vezanost objašnjena ponašanjem kromosoma u mejozi.

 


Iz broja rekombinantnih potomaka F2 generacije moguće je izračunati učestalost rekombinacije između neka dva gena:


Učestalost rekombinacije= (broj rekombinantnih potomaka/ukupan broj potomaka) x 100 (%)

Ako je u nekom križanju učestalost rekombinacije (rekombinantnih potomaka) 6%, to znači da je rekombinantnih gameta također 6%, odnosno jačina vezanosti između ta dva gena je 94%. Učestalost rekombinanata za neki par gena ista je u svakom križanju jer geni zauzimaju stalne položaje na kromosomu i stoga je vjerojatnost za krosinover među njima ista u svakom križanju.

KROSINGOVER (c.o.) je izmjena dijelova nesestrinskih kromatida homolognih kromosoma u profazi I mejoze.
Krosingoverom nastaju dvije vrste rekombinanata u jednakom broju zbog načina na koji se na određenom mjestu u bivalentu prekidaju, izmjenjuju i ponovno spajaju dvije nesestrinske kromatide. Nakon mejoze su dva produkta rekombinantna, a dva su roditeljska. Ukoliko nema c.o. svi produkti mejoze su roditeljski.
Krosingover se može dogoditi bilo gdje u bivalentu; događa se u nekim mejotskim stanicama, no ne u svima; stoga je broj rekombinantnih potomaka puno manji od polovice potomaka test-križanja (Slika 7.5.a.).
Potomci s novim kombinacijama svojstava nastaju REKOMBINACIJOM.

Rekombinacija je posljedica:

1. nezavisne segregacije kromosoma (odnosno dva ili više parova alela smještenih na različitim kromosomskim parovima).

2. krosingovera između vezanih gena u bivalentu.

Vezani geni se ne segregiraju nezavisno, jer su smješteni na istom kromosomu, te se tijekom mejoze nasljeđuju zajedno (potpuna vezanost). Iznimka je kada se dogodi c.o. između gena u bivalentu, jer tada dolazi do razdvajanja gena te osim roditeljskih potomaka nastaju i rekombinantni potomci.

7.3. POLOŽAJ VEZANIH GENA

Vezani geni mogu na kromosomu biti u cis ili trans položaju. Ukoliko su dva dominantna alela (ili dva recesivna) na istom kromosomu to je cis položaj; ukoliko su na istom kromosomu jedan dominantni i jedan recesivni alel to je trans položaj.
Nakon c.o. gena u cis i trans položaju roditeljske gamete i rekombinantne gamete su različite; rekombinantne gamete nakon c.o. u cis položaju su identične roditeljskima nakon c.o. između gena u trans položaju i obrnuto (Slika 7.6.a. i b.).

 

Slika 7.6.a. Položaj vezanih gena.

 

 

Slika 7.6.b. Nakon krosingovera između gena u cis i trans položaju roditeljske i rekombinantne gamete su različite.

 

 

Vezanost gena može se otkriti test-križanjem i analizom fenotipova potomaka:
Ako nakon dihibridnog test-križanja ne dobijemo fenotipski omjer 1:1:1:1 to znači da su geni na istom kromosomu, dakle vezani su. Ukoliko se radi o potpunoj vezanosti gena test-križanjem ćemo dobiti dvije fenotipske klase potomaka u omjeru 1:1. Ukoliko se radi o djelomičnoj vezanosti gena test-križanjem ćemo dobiti 4 fenotipske klase potomaka: dvije su roditeljske i javljaju se u velikom broju, a dvije su rekombinantne i javljaju se u malom broju (manje od 50% ukupnog broja potomaka).
Problem može nastati ukoliko su dva gena na suprotnim krajevima kromosoma (maksimalno udaljeni): u tom slučaju dogodit će se barem jedan krosingover i to u svim stanicama u mejozi – stoga će ½ potomaka biti roditeljski, a ½ rekombinantni potomci. Zbog toga će fenotipski omjer dihibridnog križanja biti 1:1:1:1 kao i u slučaju nezavisne segregacije kada su geni nezavisno smješteni. U takvom je slučaju nemoguće reći da li su geni vezani ili nisu. Da bismo riješili ovaj problem moramo napraviti test-križanje s mužjacima vinske mušice (nema c.o.) ili pratiti nasljeđivanje još jednog svojstva (gena) koji pokazuje vezanost sa već spomenutim genima, dakle treba raditi trihibridno križanje.

7.4. UČESTALOST REKOMBINACIJE I KARTE VEZANIH GENA

Rezultati istraživanja na vinskoj mušici pokazali su da su geni na kromosomu poredani linearno, dakle jedan iza drugog (Slika 7.7.). Ako je poredak gena takav, onda bi analizom učestalosti rekombinacije između vezanih gena bilo moguće odrediti relativne položaje gena na kromosomu. Kada se neko križanje ponavlja u istim eksperimentalnim uvjetima, učestalost rekombinacije između neka dva gena je uvijek ista.
Müller je predložio da postotak novih kombinacija svojstava (% rekombinantnih potomaka) bude mjera za izražavanje udaljenosti između gena - to su tzv. krosingover jedinice ili jedinice rekombinacije.

 

Slika 7.7. Prva kromosomska karta vezanih gena, 1913.:- 5 gena na X kromosomu vinske mušice.


Alfred Sturtevant (http://www.g2conline.info/content/c16/16287/16287_sturtevant_in_lab2.jpg), jedan od Morganovih suradnika, uočio je da je učestalost rekombinacije odraz udaljenosti gena na kromosomu. To znači da što su geni udaljeniji na kromosomu veća je vjerojatnost da će biti razdvojeni c.o. i obrnuto. Sturtevant je predložio da 1% učestalosti rekombinacije predstavlja relativnu jedinicu udaljenosti između dva gena u kromosomu. Danas u čast Morganu tu relativnu jedinicu udaljenosti izražavamo u cM (cM = centiMorgan).
Odnos između cM i parova baza u DNA je visoko varijabilan, te ovisi o vrsti, spolu i regiji na kromosomu. Npr. u čovjeka se 1 cM kreće od 100.000 do 10 milijuna pb, dok u kvasca 1 cM iznosi oko 2.500 pb.

Da bi točno odredili poredak neka tri gena na kromosomu, nije dovoljno da imamo c.o. vrijednosti za gene 1 i 2, te za gene 1 i 3, već su nam potrebne vrijednosti c.o. za gene 2 i 3. Naime, c.o. se događa u bivalentu, strukturi od 4 kromatide, u kojem zahvaća dvije nesestrinske kromatide (Slike 7.8. i 7.9.); c.o. ne moraju biti zahvaćene uvijek dvije iste kromatide; ukoliko se između dva gena dogodi dvostruki c.o. neće biti rekombinantnih potomaka, već će nastati samo roditeljski potomci. Da bi se izbjegao navedeni problem podcijenjenog broja rekombinanti potrebno je raditi trihibridna križanja.

 

Slika 7.8. Fizička osnova krosingovera.

 

 

7.5. TRIHIBRIDNO KRIŽANJE I KROMOSOMSKO KARTIRANJE

Da se izbjegne manji broj rekombinantnih potomaka zbog dvostrukog c.o. potrebno je raditi trihibridno križanje, dakle pratiti nasljeđivanje tri vezana gena. Trihibridno križanje je vrlo važno u kromosomskom kartiranju i određivanju položaja gena na kromosomu.
Ako smo primjerice ustanovili da je poredak gena na kromosomu p, l i c tj. da je gen l u sredini, to možemo iskoristiti za detekciju dvostrukih c.o.
Kada se dogodi dvostruki c.o., gen koji je u sredini ulazi u novu kombinaciju zajedno s alelima lijevo i desno; lijevo i desno od gena l su regije kromosoma (1 i 2) u kojima se događaju jednostruki c.o. Ako se c.o. dogodi istovremeno u regijama 1 i 2 radi se o dvostrukom c.o. i u tom slučaju nema novih kombinacija za gene p i c. Međutim gen koji se nalazi u sredini (l) nakon dvostrukog c.o. ulazi u nove kombinacije zajedno s genima lijevo i desno od njega (p+lc+ ili pl+c). Osim toga još nastaju i roditeljske gamete: p+l+c+, plc
Kao što je vidljivo jedino gen l mijenja svoj genotip u odnosu na gene p i c, a zbog dvostrukog c.o. (Slika 7.10.).
Uz pomoć trihibridnog križanja moguće je prepoznati potomke koji su posljedica dvostrukog c.o. koje bismo inače u dihibridnom križanju mogli previdjeti, te ih pribrojiti ostalim rekombinantnim potomcima kako bismo dobili pravu učestalost rekombinacije između gena p i c (odnosno n i t, Slika 7.11.).

 

Slika 7.9. Rezultat dvostrukog (A) i jednostrukog c.o. (B).

 

 

Slika 7.10. Dvostruki c.o. kod trihibrida uključuje dva jednostruka c.o.

 

 

 

 

Slika 7.11. Trihibridno test-križanje omogućava ne samo detekciju roditeljskih i rekombinantnih potomaka već i potomaka nastalih dvostrukim c.o.

 


 

Slika 7.11. nastavak; izračunavanje udaljenosti gena na kromosomu na temelju učestalosti rekombinantnih potomaka.

 

KARTA VEZANIH GENA – genetička karta koja se izrađuje na temelju učestalosti rekombinacije.


Učestalost krosingovera nije jednaka u cijelom kromosomu, stoga su jedinice karte relativne, a ne apsolutne. Učestalost krosingovera manja je u području centromera nego u ostalim dijelovima kromosoma. Karta vezanosti gena daje stoga redoslijed gena duž kromosoma, ali ne daje točno mjesto gena. Citološke karte pak daju precizna mjesta gena.
Ako usporedimo genetičku i citološku kartu http://www.cs.sunysb.edu/~skiena/648/presentations/drosophila.html) one će se podudarati u redoslijedu genskih lokusa, ali ne i u međusobnoj udaljenosti gena (Slika 7.12.). Naime 1% učestalosti krosingovera se ne odnosi na čitavu dužinu kromosoma.

Na učestalost krosingovera utječu unutarnji i vanjski okolišni čimbenici. Unutarnji čimbenici su hormoni: postoji razlika u frekvenciji krosingovera između spolova: u mužjaka vinske mušice i ženke dudovog svilca nema c.o.; općenito je učestalost c.o. manja u heterogametnog spola (u žena je 40-50% više c.o. nego u muškaraca). Vanjski čimbenici koji utječu na učestalost c.o. su temperatura, zračenje, dvovalentni kationi (Ca2+ i Mg2+). Iznimno visoka ili niska temperatura, a također i zračenje povećavaju učestalost c.o. Temperatura i zračenje mogu stimulirati c.o. u regijama kromosoma gdje je on prirodno reduciran; također mogu potaknuti c.o. u mužjaka vinske mušice. Promjene strukture kromosoma smanjuju učestalost c.o.

Ukoliko su geni jako udaljeni međusobno, višestruki c.o. mogu zamaskirati pravu c.o. vrijednost. Stoga su točnije jedinice karte dobivene na temelju učestalosti rekombinacije između gena koji su relativno blizu (do 20 jedinica), jer je tada učinak višestrukog c.o. minimaliziran. Kromosomska karta može imati više od 50 jedinica, ako se radi o dugačkom kromosomu. Naime jedna hijazma između dva vezana gena u 100% mejotskih stanica daje 50% rekombinantnih potomaka (1 hijazma = 50% c.o. vrijednost = 50 jedinica). Dvije, tri ili više hijazmi daju kromosomsku kartu od 100, 150 ili 200 jedinica. Ipak stvarna učestalost rekombinacije ne može biti veća od 50%. Gledajući kromosomsku kartu ne možemo uvijek jedinice karte prevesti u učestalost rekombinacije. Broj jedinica karte odgovara učestalosti rekombinacije samo u području kromosoma gdje su geni vrlo blizu jedan drugome (udaljeni 20 jedinica ili manje).

KOEFICIJENT KOINCIDENCIJE

Objašnjava nezavisnost događaja dva c.o.; odgovara na pitanje da li je očekivani broj dvostrukih rekombinanti jednak dobivenom broju.

Koeficijent koincidencije = Opaženi broj dvostrukih rekombinanti/Dobiveni broj dvostrukih rekombinanti

npr. ako je koeficijent koincidencije 0,50 to znači da će se samo 50% očekivanih dvostrukih c.o. dogoditi.

Pozitivna interferencija – pojava jednog c.o. reducira pojavu drugog c.o. pa je broj opaženih dvostrukih c.o. manji od broja očekivanih dvostrukih c.o.
Negativna interferencija – opaženi broj dvostrukih rekombinanti je veći od očekivanog broja.

7.6. KARTIRANJE GENA U KVASCA ANALIZOM TETRADA

Saccharomyces cerevisiae, pekarski kvasac je jednostanični eukariot koji je ovisno o životnim uvjetima haploidan ili diploidan. Kada su uvjeti nepovoljni, npr. gladovanje, kvasac je u haploidnoj fazi (Slika 7.12.). Kada se uvjeti poboljšaju, haploidne spore suprotnoga spola (tip sparivanja a i alpha - rezultat su ekspresije gena s dva alela) se spajaju u diploidnu zigotu. Ako nastupi gladovanje, diploidna stanica ulazi u mejozu; svi produkti mejoze nalaze se u askusu i haploidni su.

 


Slika 7.12. Životni ciklus kvasca.

 

 

KARTIRANJE

Spajanjem ab spora (ili gameta) s AB sporama nastaje diploidna zigota koja ulazi u mejozu.
Haploidne produkte (spore) možemo izolirati i nasaditi na podlogu, te promatrati njihov fenotip.
U ovom se slučaju javljaju 3 fenotipa spora (Slika 7.13.):

  1. Roditeljski fenotipovi (PD)
  2. Rekombinantne spore ili NPD (non-parental ditype) – 2 tipa
  3. Tetratipovi – 4 (roditeljski i rekombinantni)

 

Slika 7.13. Različiti tipovi tetrada (lijevo) nastaju u križanju AB x ab ako su geni vezani (sredina) i ako se nalaze na nehomolognim kromosomima (desno). Kada je PD tipova više od NPD tada su geni vezani jer NPD nastaju dvostrukim c.o. koji uključuje 4 kromatide što je rijetko. Tetratipovi (T) nastaju jednostrukim c.o. ako su geni na različitim kromosomima ili su vezani ali jako udaljeni međusobno. PD=NPD zbog nezavisne segregacije ili višestrukih c.o.Tetratipovi kod gena na različitim kromosomima nastaju c.o. između gena i centromera njegovog kromosoma (dolje desno) (preuzeto s: http://dbb.urmc.rochester.edu/labs/sherman_f/yeast/7.html).

 

 

Jedinica karte = (1/2) TT + NPD/ukupan broj askusa

Npr. ako je u nekom križanju broj PD tipova 75, NPD 5, a TT 20:

Jedinica karte = (1/2) x 20 + 5/100 = 0,15 x 100 = 15%

 

Sva tri tipa askusa mogu nastati i u slučaju kada su geni vezani i kada nisu vezani. Ukoliko geni nisu vezani roditeljski i neroditeljski tipovi javljaju se s jednakom učestalošću. Ukoliko su geni vezani, tada je puno više roditeljskih potomaka.

 

7.7. SOMATSKI (MITOTSKI) KROSINGOVER

Krosingover se događa u somatskim stanicama uz pomoć sličnog mehanizma kao u mejozi. No u mitotskom c.o. ne stvara se sinaptonemski kompleks. Budući da se kromosomi u mitozi ne sparuju, pojava c.o. vrlo je rijetka (npr. u gljivice Aspergillus nidulans događa se jedan c.o. na 100 dioba). Zračenje može stimulirati pojavu c.o. u somatskim stanicama vinske mušice i mnogih gljiva. Mitotsku rekombinaciju je prvi otkrio 1936. Curt Stern. On je opazio na vinskoj mušici tzv. blizanačke pjege (twin spots) koje ima mušica dihibrid za boju tijela (y) i za morfologiju čekinja na toraksu (sn).

“Twin spots” mogu se objasniti mitotskim c.o. između sn lokusa i centromera. Ako dolazi do c.o. između lokusa sn i y dobiju se žuta područja; c.o. između sn i centromera nastaju twin spots (žuta područja i područja s ošurenim čekinjama); dvostrukim c.o. (y-sn i sn-centromer) dobiju se “singed spots” (ošurene čekinje) (Slike 7.14.a.-c.)
Najčešći su “twin spots”, zatim žuta područja, a najrjeđi su “singed spots” jer zahtijevaju dvostruki c.o. Mitotski c.o. koristi se u genetici gljiva kao jedna od metoda za analizu vezanih gena.

 

Slika 7.14.a. Nastanak “twin spots” (preuzeto s: http://bio3400.nicerweb.com/Locked/media/ch05/).

 

 

Slika 7.14.b. Žuta područja (preuzeto s: http://bio3400.nicerweb.com/Locked/media/ch05/).

 

 

Slika 7.14.c. Divlji tip (bez c.o.) (preuzeto s: http://bio3400.nicerweb.com/Locked/media/ch05/).

 

Čini se da je tijekom evolucije živih bića somatski c.o. omogućio prvu rekombinaciju, budući da su primitivne diploidne stanice imale samo jedan par homolognih kromosoma. Prema tome c.o. je bio jedini izvor rekombinacije. Kako je evolucija napredovala c.o. je zadržan samo u germinativnim stanicama, a u tjelesnima se više nije događao zbog štetnosti mozaicizma. Organizam koji se nespolno razmnožava nema druge mogućnosti za nove kombinacije osim genskih mutacija. Kada ne bi bilo c.o. tijekom spolnog razmnožavanja, stvaranje novih kombinacija alela ne bi bilo moguće za vezane gene.

7.8. REKOMBINACIJA I GENETIČKA VARIJABILNOST

ZNAČENJE MEJOZE

ZNAČENJE DIPLOIDNOSTI

ZNAČENJE VEZANOSTI GENA

7.9. SAŽETAK