GENETIKA Oktatási segédanyag a Génsebész és Kertészmérnök hallgatók számára Összeállította: dr. Mara Gyöngyvér 2015, Csíkszereda

Átírás

1 GENETIKA Oktatási segédanyag a Génsebész és Kertészmérnök hallgatók számára Összeállította: dr. Mara Gyöngyvér 2015, Csíkszereda 1

2 1. BEVEZETÉS A GENETIKÁBA A XXI. SZÁZADI ISMERETEK TÜKRÉBEN 6,7 dia 1.1. A genetika tágya A genetika az öröklődés tudománya, amely a görög genno (nemzeni, életet adni) jelentésű szóból származik. A genetika annak a biológiai információnak a tanulmányozásával foglalkozik, amelyet az élő szervezetek a legegszerűbb baktériumoktól a többsejtű szervezetekig: tárolnak, megkettőznek, továbbadnak és felhasználnak azaz kifejezik a növekedési, szaporodási és túlélési folyamatok során. Egy élőlényen belül, a genetikai információt kromoszómák hordozzák, ahol ez az információ a DNS-ben van kódolva. A gének kódolják azt az információt, mely a fehérjék szintéziséhez szükséges. 8,9 dia 1.2. A DNS, a genetikai információ alapmolekulája Az evolúció eredményeképpen, körülbelül 4 milliárd évvel ezelőtt alakultak ki azon folyamatok amelyek alkalmasak a biológiai információ a tárolására, replikációjára, génkifejeződésére valamint a változatosság kialakulására. A lineáris DNS (dezoxiribonunkeinsav) molekula a biológiai információ hordozó molekula, amelynek szekvenciáját G, C, A, T jelöljük. A jelölés a G (guanin), C (citozin), A (adenin) és T (timin) nitrogén bázisoktól származik, amelyek a DNS szerkezetében található nukleotidok építőkövei (1.ábra). 1.ábra. A DNS építőkövei a nukleotidok (foszfát csoport, cukor és nitrogénbázis) 2

3 A DNS molekula gerincét a foszfodiészter kötések eredményeként egy váltakozó cukor-foszfát molekula lánc alkotja, melyben a dezoxiribóz 5 és 3 C atomjai vesznek részt (lásd 2 ábra, a DNS lánc irányítottsága). Tehát az egyik szálon a dezoxiribóz 5 C atomján lévő foszfát csoport (-PO4-) áll szabadon (nem kapcsolódik hozzá dezoxiribóz), a másik szálon pedig a pentóz 3 C atomján lévő hidroxil (-OH) csoport szabad (nem kapcsolódik hozzá foszfát). A két szál eltérő irányultságát, eltérő orientációjú nyilakkal szokták ábrázolni. A DNS molekula kettős hélix szerkezetét a két egymással ellentétesen párhuzamos (antiparalell) gerinc alkotja, amely kialakulása az adenin-timin és a guanin-citozin komplementaritásnak köszönhető. Ezek a komplementer nitrogénbázisok hidrogén kötéssel kapcsolódnak egymáshoz, úgy hogy az adenin és timin között két hidrogén kötés, míg a guanin és citozin között három hidrogén kötés alakul ki. 2.ábra. A DNS kettős hélix szerkezete A DNS-ben kódolt szakaszokat, amelyek fehérjék kialakulásáért felelősek azokat géneknek nevezzük. A DNS az élő szervezetekben, a sejtekben kromoszómának nevezett struktúrába csomagolva található meg az élő szervezetben, amelyek lehetővé teszik a DNS tárolását, megkettőződését, kifejeződését és evolúcióját egyaránt. Egy élő szervezet sejtében található kromoszómák összessége a szervezet genomját alkotja. Például az ember esetében 23 pár (24 különböző) kromoszómát különböztethetünk meg amely megközelítőleg 3*10 9 bázispár információt tartalmaz és körülbelül gént. 10,11 dia 1.3. Fehérjék, az életfolyamatok funkcionális molekulái 3

4 Az élő szervezetek az idő folyamán a fizika, kémia és a genetikai információ következtében képesek például a szaporodásra. Ugyanakkor sok élő szervezet olyan struktúrák kialakítására is képes, amelyek idővel jelentős változáson mennek keresztül, gondoljunk a metamorfózisra, amikor egy rovarlárva imágóvá alakul. Egy másik sajátosság, amely az élő szervezetekre jellemző a mozgásképesség, amelynek köszönhetően az állatok képesek aktív helyzetváltoztató mozgásra (úszás, repülés, szaladás) míg a növények helyváltoztató mozgásra. Sőt, az élőlények a környezethez való alkalmazkodás képességével is rendelkeznek, valamint a környezettel anyag és energiacserét folytatnak. Az anyag és energiacsere eredménye, hogy képesek növekedni és fejlődni, hiszen a szervezetbe bejutott molekulákat beépítik a szervezetükbe. Azokat a kémiai és fizikai reakciókat, amelyek ezeket az átalakulásokat lehetővé teszik, metabolizmusként ismerjük. Az élő szervezetek előbb felsorolt tulajdonságai mind a fehérjéknek köszönhetőek (pl. a mozgás: aktin és miozin). A fehérjék nagy polimer molekulák, amelyek több száz és ezer aminosav alegységből épülnek fel és hosszú láncot alkotnak, amelyek felcsavarodva egy specifikus háromdimenziós struktúrát alakítanak ki. A háromdimenziós fehérjeszerkezetek adják a fehérjék funkcionális diverzitását (transzport fehérje, összehúzó fehérje, enzimatikus fehérje stb.) amely az élő szervezetek komplex működését és alkalmazkodóképességét teszik lehetővé. Például a hemoglobin (transzport fehérje) struktúrája és formája teszi lehetővé azt a funkciót, amelyet ellát: az oxigén szállítását és szövetekhez juttatását. Az aktin és miozin összehúzó fehérjék szerkezetüknek köszönhetően elcsúsznak egymás felületén így az izmok összehúzódását eredményezik. A kimotripszin és az elasztáz enzimek más fehérjék bontását eredményezik. Tehát a legtöbb életfolyamatot meghatározó tulajdonság a fehérjéknek köszönhető, amelyeket a szervezet a DNS-ben tárolt információ alapján szintetizál. A fehérjéket 20 különböző aminosav alkotja. A DNS-ben található információ, a genetikai kódnak a segítségével meghatározza a fehérje lánc aminosav szekvenciáját. A genetikai kód egy olyan szótár, amely segítségével a DNS-ben kódolt nukleotid sorrend átíródik aminosav sorrendé. A kód tehát azt határozza meg, hogy a DNS vagy RNS láncában egymás után következő nukleotid-hármasok alapján milyen sorrendben épülnek be az aminosavak a fehérjébe annak szintézise során. A nukleotidok hármasával (triplet) egy kodont adnak, és egy kodon egy aminosavat határoz meg. A tripleteknek megfelelő aminosavak a genetikai kódszótárban lelhetők fel. 13,14 dia 1.4. Molekuláris egységesség és hasonlóság az élővilágban DNS, RNS A nukleinsavak építőkövei nagyon hasonlóak, hiszen mind a DNS (dezoxiribonukleinsav) mind pedig az RNS (ribonukleinsav) szerkezetét egy pentóz cukor képezi, négy nitrogénbázis és a pentóz cukrokat foszfát köti össze (foszfodiészter kötés). A nitrogénbázisok tekintetében a DNS és RNS szerkezete között az a különbség, hogy a T (timin) helyett U (uracil) található az RNS-ben. Az RNS a DNS-hez hasonló módon tárolás, megkettőződés, mutáció és információ kifejezés képességével is rendelkezik, míg a fehérjékhez hasonló módon képes háromdimenziós molekulákat kialakítani és katalitikus folyamatokban résztvenni. 4

5 Genetikai kód univerzális Az élő szervezetek közös ősi eredetét alátámasztó tények a DNS szekvenciájukban vannak. Minden élő szervezet ugyanazt a genetikai kódot (vannak kis eltérések) használják a DNS-ben kódolt információ fehérjékké való átírásánál. A négy nukleotid hármassával kombinálva (triplet) egy kodont alkot amely a genetikai kódszótárban egy aminosavnak felel meg. Az összesen 64 lehetséges triplet (3 stop kodon) határozza meg a fehérjék szerkezetét alkotó 20 aminosavat. Gének hasonlósága Az élő szervezetek közötti rokonsági kapcsolatot a különböző fajok hasonló funkciójú génjeinek vizsgálata is bizonyítja. Nagy a hasonlóság például a baktériumok, élesztőgombák, férgek, legyek, egér és az ember egyes fehérjéit meghatározó génjei között. Ilyen például a mitokondrium Citokróm C fehérjéjét meghatározó gén, amely fehérje a mitokondrium által végzett sejtszintű élettani folyamatban a sejtlégzésben játszik szerepet. Sőt, még azt is megfigyelték, hogy egy adott fajtól származó gének funkcionálisak lehetnek egy más faj szervezetében. Például a humán sejtosztódás szabályozásában szereppel bíró gének jól működtek az élesztősejtekben, lehetővé téve a sejtosztódást. 15,16 dia 1.5. Modern genetikai technikák Génszekvencia meghatározás Számos esetben szükséges a DNS-molekula bázissorrendjének meghatározása (DNS-szekvenálás). A szekvenálásnak két módszerét használják: a Sanger féle módszert és az automatizált módszert. A láncterminációs DNS-szekvenálás vagy Sanger módszer: Az eljárás során a szekvenálni kívánt kettőszálú DNS szálait magas hőmérsékleten denaturálják, majd a szétváló szálak közül az egyikhez az 5 -irányba leolvasni kívánt szakasz elé komplementer, rövid egyszálú DNS-szálat (primert v. oligonukleotidot) párosítanak. Ezután négy párhuzamos szekvenáló reakciót állítanak össze. Minden reakcióelegybe kerül templát DNS és szekvenáló primer, polimeráz enzim és azonos mennyiségben négyféle dezoxinukleotid-trifoszfát (dntp). A négy párhuzamos reakció mindegyikéhez négy különféle didezoxinukleotid-trifoszfát (ddntp) molekula közül egyfélét kevernek. A ddntp-k ribóz gyűrűjének szemben a dntp-molekulákkal 3 -szénatomjához az -OH csoport helyett -H atom kapcsolódik, ezért nem tud foszfodiészter kötést kialakítani. Például, ha ddatp-t (didezoxiadenin-trifoszfát) adunk a reakcióelegyhez, a következő folyamat megy végbe: a polimeráz enzim a primer 3 -végétől indulva megkezdi a komplementer DNS-szál szintézisét, felhasználva egyaránt a dntp- és ddatp-molekulákat. A leolvasni kívánt DNS-szakaszban található timin bázisokkal szemben (amelyek komplementere az adenin) a szintetizálódó új szálba datp vagy ddatp épülhet be (a két nukleotid koncentrációjának arányától függő valószínűségekkel). Amennyiben datp épül be, a szálszintézis folytatódik; viszont ha ddatp épül be, az új szál szintézise leáll a reaktív 3 -OHcsoport hiánya miatt. A reakció során tehát különböző hosszúságú új DNS-szakaszok keletkeznek, amelyek hossza tükrözi a timin bázisok távolságát illetve pozícióját a primer 5 végétől. A ddgtp-vel, 5

6 ddctp-vel illetve ddttp-vel végzett párhuzamos reakciók esetében a szintetizált szálak hossza rendre a citozin, guanin és adenin bázisok pozíciójától függ (3 ábra). A négy különböző szekvenáló reakció során keletkező új DNS-láncokat méret szerint poliakrilamid gélen választjuk el. A DNS láncok méreteinek ismeretében a templát DNS-szál bázissorrendjét meg lehet határozni. A poliakrilamid gélelektroforézis az agaróz gélektroforézishez hasonlóan szintén a negatív töltéssel rendelkező DNS-molekulák elektromos térben zajló, az anód felé irányuló vándorlását használja ki. 3.ábra. Sanger féle szekvenálási eljárás Automatizált szekvenálás: Az automatizált szekvenálás során a szekvenáló reakcióhoz használt ddntp molekulákhoz fluoreszcens festéket kapcsolnak. A fluoreszcens festékek (fluorofórok), amennyiben a festékre jellemző megfelelő hullámhosszú fénnyel kerülnek megvilágításra, gerjesztett állapotba kerülnek, majd visszatérve alapállapotba fényt bocsátanak ki. A négy különböző ddntp-hez négy egymástól különböző fluorofórt kapcsolnak. E módszer feleslegessé teszi, hogy négy párhuzamos szekvenáló reakciót kelljen futtatnunk. A mintákhoz egyszerre adják hozzá a négy jelölt ddntp-molekulát. A polimeráz reakció lezajlása után a mintát egy gél zsebbe töltik. A gélelektroforézis után a gélt olyan leolvasóba teszik, mely képes mind a négy fluorofór 6

7 különálló detektálására. A gél aljától a teteje felé haladva a templát DNS-szál bázissorrendje meghatározható annak ismeretében, hogy az adott csíkban mely fluorofórt detektáltuk. A fluoreszcens ddntp-k használata lehetővé tette a szekvenálás folyamatának teljes automatizálását. A szekvenálási reakcióban létrejövő DNS-láncokat kapilláris gélelektroforézissel választják el. A futtatni kívánt mintát a kapillárisba töltik, majd a kapilláris végeire elektromos feszültséget kapcsolnak, így a DNS az anód felé fog vándorolni. A vándorlás közben érvényesül a gélmátrix szűrőhatása, így a kisméretű molekulák haladnak a leggyorsabban. A kapilláris anód felőli végén folyamatosan történik a négyféle dideoxinukleotidhoz kötött fluoreszcencia-jel detektálása, amelyet számítógép rögzít. A folyamatos detektálás eredménye egy kromatogram lesz, melyen időben láthatjuk, hogy adott időpillanatban mely fluorofór haladt át a detektor előtt, így meghatározhatjuk a templát DNS szekvenciáját (4 ábra). 4. ábra. Automatizált szekvenlási eljárás DNS chip technika A DNS chip egy nagyon új molekuláris technika, amely során a funkcionális genomikában génexpressziós változásokat, vagy akár a teljes genomot átfogó genetikai különbségeket lehet a módszerrel analizálni. A DNS chip egy kisméretű szilárd hordozó, amely a felületén rögzített DNS mintákat tartalmaz, amelyek nukleotid hosszúságúak. A DNS chip egy fajra jellemző (pl. ember) DNS mintákat tartalmaz, amelyek az adott fajra jellemző géneknek megfelelő oligonukleotidokból áll. A DNS chipre a vizsgálni kívánt mintát rájuttatjuk, és a DNS-DNS hibridizáció elvén a komplementer szakaszok összekapcsolódnak. A fluoreszcensen jelölt mintát majd mikroszkóp segítségével detektáljuk. A DNS chip technika használható tehát expressziós összehasonlító vizsgálatra, ami fontos lehet a rákkutatásban. Ha meg akarjuk ismerni, hogy milyen gének működnek egy szervezetben, akkor a 7

8 génekről átírt mrns-t kell vizsgálni. Az mrns-ről laboratóriumi körülmények között újra DNS írható, az így keletkezett DNS szakaszokat cdns-nek (komplementer DNS) nevezzük. Normál illetve rákos sejtekből izolált mrns-ekről két eltérő színű fluoreszcens jelöléssel cdns-eket szintetizálnak. A DNS-chipen a humán génekre specifikus DNS szakaszok találhatók. Ha a két mintát összekeverés után hozzáadjuk egy DNS-chiphez, a mindkét mintában jelenlevő cdns a két szín keverékeként (piros és zöld mintajelölés esetén sárga) detektálható, ráadásul kvantitatív módon. A vizsgálatból kiderül, hogy az adott rákos mintában milyen gének fejeződnek ki nagyobb mértékben mint az egészséges sejtekben. 5. ábra. DNS chip használata expressziós összehasonlító vizsgálatra 8

9 2. GENETIKAI ALAPELVEK: HOGYAN ÖRÖKLŐDNEK A TULAJDONSÁGOK 6,7 dia 2.1. Mendel kísérletének alapjai Gregor Mendel jól választotta meg a felvetett problémához a kísérleti organizmust, hiszen a borsó önbeporzó növény és így ő irányíthatta a keresztezési kísérleteit. Emellett a borsó tulajdonságainak kiválasztásában is szerencsés volt. Hét tulajdonságpár öröklődését kísérte figyelemmel, és később kiderült, hogy mind a hét tulajdonság génje más-más kromoszómán helyezkedett el. Kísérleteihez 22 borsófajtát használt, amelyek tehát a következő hét jól elkülöníthető alternatív változatokkal rendelkeztek: sárga vagy zöld magszín, gömbölyű vagy ráncos mag, zöld vagy sárga hüvelytermés, hosszú vagy rövid szár, a tengelyen egyesével sorakozó vagy a szár csúcsán csoportosuló virágok, sima vagy rücskös hüvelytermés, lila vagy fehér virágszín. Mendel a kísérleteinél homozigóta szülőkből indult ki. A homozigóta szülőkhöz a következőképpen jutott: a kiindulási egyedek utódait nemzedékről nemzedékre önbeporzással beltenyésztette. Ha egy adott tulajdonságra (például a magalakra) nézve mindig csupán a szülőkre hasonlító utódot kapott, akkor ezek homozigóták voltak. Így állított elő biztosan homozigóta gömbölyű, illetve ráncos magvú borsónövényeket, ún. tiszta származéksorokat. Kísérletei során nagy mintaszámmal dolgozott és matematikailag értelmezte az adatait dia 2.2. Monohibrid keresztezés Mendel olyan borsónövényeket keresztezett amelyek különböző tulajdonságokkal bírtak, pl. fehér és lilavirágú borsó növényeket, zöld és sárga magvúakat, valamint rücskös és sima maghéjú növényeket. A keresztezések során vizsgálta a tulajdonságoknak az öröklésmenetét, legalább három generáción keresztül. A szülői generciót P betűvel (P-parentes) míg az utódnemzedéket F1, F2, betűvel (F-filio) jelölte. Amikor a lila és fehér virágú borsónövény öröklésmenetét vizsgálta Mendel arra lett figyelmes, hogy a lila és fehérvirágú szülői generáció keresztezéséből az F1-ben mind lila virágú utódok jöttek létre, majd a fehér virágszín az F2-ben jelent meg újra. Ebből rájött arra, hogy a fehér virágszínért felelős örökítő tényező nem tűnt el az F1-ben, csak nem nyilvánult meg, azaz recesszív tulajdonságváltozat. Az F2-ben megfigyelt jellegek aránya 3 (lila):1 (fehér) volt. Mendel hasonló öröklődésmenetet figyelt meg hat más tulajdonságváltozat esetében, és ezen megfigyelések alapján több következtetést is megfogalmazott. Mendel következtetéseit az alábbiakban foglaljuk össze: 9

10 Az öröklés egysége a gén. Egy bizonyos tulajdonságot örökítő gén (pl. virág színe) két változatban található meg egy génhelyen, ezt nevezzük allélpárnak. Az allélok tehát a gének tulajdonságváltozatai. Ha a két tulajdonságváltozat különbözik, akkor azt a tulajdonságváltozatot amely megnyilvánul dominánsnak (P lila), azt amelyik csak heterozigóta formába nyilvánul meg recesszívnek (p fehér) nevezzük. Minden tulajdonság két változata található meg az élő szervezetekben, és egy egyed mindkét szülőtől örököl egy génváltozatot. A génváltozatok tehát az ivarsejtekben (gamétákban) szétválnak, és ezek véletlenszerűen egyesülnek, hiszen a meiozis során az ivarsejtekbe a homológ kromoszómák közül mindig csak az egyik kerül be. Ezt Gregor Mendel a gamétatisztaság előfeltételének nevezte. Az allélok szegregációja véletlenszerű esemény. Tehát amikor egy Pp heterozigóta egyed gamétákat hoz létre akkor 50% esély van arra, hogy a petesejtbe a P allél kerüljön. Mai ismeretek tükrében a borsónövény magas és törpe növését, a borsó maghéjának rücskös és sima tulajdonságváltozatait illetve a cisztás fibrózis betegség kialakulását tudjuk, hogy a génváltozatok által meghatározott különböző fehérjék alakítják ki. Mendel nagyszámú keresztezést végzett homozigóta magas és törpe növények között (szülői nemzedék, P). A két növény közötti különbség oka egy növekedési hormon megléte vagy hiánya, amelynek képződését egy gén irányítja. A borsó maghéját meghatározó tulajdonságváltozatok közül az R allél (génváltozat) esetében egy olyan fehérje szintetizálódik amely a keményítőt elágazó láncúvá alakítja, így a maghéj sima lesz. A r allél esetében az enzim egy inaktív formája keletkezik, amely következtében a felhalmozott keményítő lineáris marad, míg a maghéj összeszáradását (rücskösödését) eredményezi. A cisztás fibrózis betegség esetében a normal CFTR fehérje a Cl ionok membránon való átjutását teszi lehetővé. Egy kis változás a génben amely a CFTR fehérjét kódolja egy megváltozott fehérjét eredményez, amely nem teszi lehetővé a Cl ionok membránon való áthaladását, így a cisztás fibrózis betegség kialakulását eredményezi dia 2.3. Dihibrid keresztezés Mi történik akkor, amikor két tulajdonság együttes öröklődését vizsgáljuk? Mendel a borsónövény maghéjának színét (sárga domináns, zöld recesszív) és formáját (sima domináns, rücskös recesszív) vizsgálta. Megfigyelte, hogy a két tulajdonság együttes öröklődésére is vonatkozik az uniformitás és a szegregáció szabálya. A tulajdonságok az F2-ben újszerűen kombinálódtak: sárga rücskös és zöld sima magvú borsók is megjelentek. A Mendel által megfigyelt fenotípusos hasadási arány: 9:3:3:1 volt, azaz 9 sárga sima héjú (mindkét tulajdonság domináns), 3 sárga rücskös (egyik tulajdonság domináns), 3 zöld rücskös és 1 zöld rücskös (mindkét tulajdonság recesszív). 10

11 Mendel, miután borsón végzett genetikai kísérletei statisztikailag értékelhető eredményeket adtak, megalkotta három alapvető törvényét. Az uniformitás törvénye kimondja, hogy ha homozigóta (AA, aa) szülőket keresztezünk, az utódnemzedék (F1) összes tagja genotípusában és fenotípusában is egyforma. A hasadás törvénye szerint, ha homozigóta szülőket keresztezünk, az első utódnemzedékben a szülői tulajdonságok nem módosulnak, hanem a domináns megnyílvánul, és az F2 nemzedékben változatlanul megjelennek. Tehát a tulajdonságok az F2-ben szétválnak. A független öröklődés törvénye, amelyben Mendel azt állítja, hogy a különböző tulajdonságok egymástól függetlenül öröklődnek. Ez azonban csak akkor igaz, ha a vizsgált tulajdonságokat meghatározó gének nem ugyanazon a kromoszómán, egymás közelében vannak, akkor ugyanis kapcsoltságról, kapcsolt öröklődésről beszélünk, mert ezek jellemzően együtt öröklődnek tovább dia 2.4. Mendeli öröklődés az embernél Az emberi tulajdonságok nagyrésze nem egyszerű Mendeli öröklésmenetet követ. Tegyül fel, hogy egy gyerek annak ellenére, hogy szülei kék szeműek, barna szemmel születik. Mivel a kék recesszív a barna szemszín változattal szemben, akkor ez azt jelenthetné, hogy a gyereknek az édesapja vagy nem igazi édesapja vagy hogy a szülök csak örökbefogadó szülők. Igen ám, de a szemszín kialakításában nem egyetlen gén vesz részt, hanem több gén kölcsönhatásának eredménye, tehát a kék szemű szülőknek születhet barna szemű gyereke. Sőt, az egygénes tulajdonságok az embernél általában olyan fehérjéket kódolnak, amelyek a szervezet elváltozását okozzák, illetve az életet veszélyeztetik. Ilyenek egygénes tulajdonságok például a progresszív szellemi leépülés és más idegrendszeri betegségek mint például a Huntington kór, illetve a cisztás fibrózis betegség (amely esetében a tüdő eltömődik illetve más légzési nehézségek léphetnek fel). Például 2009-ben 4300 egygénes humán tulajdonságot ismertek, de ezen tulajdonságok felfedezésének következtében a szám folyamatosan növekszik. 11

12 3. MENDELI TÖRVÉNYSZERŰSÉGEK KITERJESZTÉSE 3-10 dia 3.1. Egygénes öröklésmenet: allélkölcsönhatások Mendel a tanulmányozott növény kiválasztásakor nagyon szerencsés volt, hiszen olyan tulajdonságokat tanulmányozott amelyeket egyetlen gén határozott meg és minden génnek két változata (allélja) volt amelyek közül az egyik domináns, a másik recesszív volt. De ezek a körülmények nem vonatkoznak minden öröklődő tulajdonságra, még a borsónövény esetében sem. A genotípus és fenotípus közötti kapcsolat viszont bármilyen komplex öröklésmenetre is alkalmazható. A génváltozatok között többféle kölcsönhatástípus figyelhető meg, nem csak domináns-recesszív. Vannak olyan esetek, amikor két vagy több allélpár hatásában befolyásolja egymást. Domináns és recesszív tipusú kölcsönhatás: ilyen esetben a genotípus heterozigóta (Aa, Bb) azaz tartalmazza a gén két változatát (domináns, recesszív) és a heterozigóta valamint a domináns homozigóta fenotípusa nem különíthető el. Nem teljes dominancia (intermedier öröklődés) esetében a heterozigóta mind fenotípusában mind pedig genotípusát tekintve különbözik a homozigóta egyedektől. A két tulajdonságváltozat között olyan kölcsönhatás alakul ki, amely a két tulajdonság köztes fenotípusát alakítja ki. Pl. a fehér és piros oroszlánszáj virágok keresztezéséből az F1-ben rózsaszín virágú egyedek fejlődtek ki. A második generációban (F2) viszont a tulajdonságok szétváltak, megfigyelhetőek mind a szülői mind pedig a heterozigóta rózsaszín virágszínek. A virág színének kialakulásáért felelős A allélváltozat egy piros pigmentet termelő enzimet kódol, ha a gén mindkét tulajdonságváltozata AA akkor a virágban elegendő enzim termelődik ahhoz, hogz a virág színe piros legyen, míg a heterozigóta rózsaszín virágok esetében (Aa) az enzim mennyisége fele, ezért a virág színe halványabb lesz. Hasonló öröklésmenetet követ a hiperkoleszterinémia, amely esetben a H allélváltozat sejtmembránba ágyazott koleszterin receptort kódolja, amely a koleszterin sejtben történő hasznosítását szolgálja. A h allélváltozat nem kódol koleszterin receptort, így a heterozigóta egyedek (Hh) közepesen erős megbetegedést mutatnak, míg a homozigóta recesszív egyedek (hh) betegek. Kodomináns allélok: ebben az esetben mindkét allélváltozat megnyílvánul és a kettő közösen alakítja ki a heterozigóta egyed fenotípusát. Egyik példája a vércsoport öröklődés, ahol az AB vércsoport mint fenotípus úgy jön létre, hogy mind az A mind a B vércsoportra jellemző tulajdonságváltozat között kodomináns kölcsönhatás van. Letális allélok: vannak olyan recesszív allélok, amelyek heterozigóta formában letálisak. Többallélos öröklődés: a vércsoport öröklése. Az emberek fenotípus szerint e rendszer alapján 4 vércsoport valamelyikébe tartoznak. Ezek a csoportok: A, B, AB, 0. Az A és B betűk valójában két antigént jelölnek, az 0-s vércsoportú embereknek ezek egyike sem található meg a vörösvértesteken. Ezeknek az antigéneknek a kialakulásáért egy gén felel. Mivel a génnek három változata létezik (A, B, 0) és ezek 12

13 kodominánsan (A, B) illetre domináns-recesszív (A és B a O-fölött domináns) öröklődnek, az emberek genotípus szerint 6 csoportot alkotnak (hiszen a sorrend mindegy, azaz az A0 és a 0A nem külön eset). A-s fenotípus lehetséges genotípusai: AA, A0 B-s fenotípus lehetséges genotípusai: BB, B0 AB-s fenotípus lehetséges genotípusai: AB 0-s fenotípus lehetséges genotípusai: 00 A véradási szabály szerint senki nem kaphat olyan vért, amiben számára idegen antigén található, ugyanis azok antitestjei megtalálhatóak az ő vérében (azaz egy A-s ember vérében a B antigén antitestjei jelen vannak) dia 3.2. Mutáció: új allélok forrása Hogyan alakulnak ki a tulajdonságváltozatok (allélok) egy tulajdonság esetében? Az új allélok megjelenése a genetikia információ (anyag) véltoyásában keresendő, azaz a MUTÁCIÓ eredménye, amelyek spontán jelennek meg a természetben. Mihelyt a mutációk megjelennek a gemétaképző sejtekben, a nagy valószínűséggel tovább örökítődnek. Mutációt tartalmazó gaméta előfordulási gyakorisága: 1: és 1: között változik. Annak köszönhetően, hogy minden egyed egy gén két változatát tartalmazza, egy populációban ki lehet számolni egy tulajdonságváltozat előfordulási gyakoriságát. Azt a tulajdonságváltozatot (allélt) amelynek az allélgyakorisága nagyobb, vad típusnak nevezzük és általában egy + jellel jelöljük. A ritka allélt az adott populációban mutáns allélnak tekintjük. A házi egér esetében a szőr színt a sötét szürke (A) allél határoyya meg amely egy monomorf gén. A kutatók a sötétszürke vad allélváltozat 14 mutáns formáját írták le. Más géneknek ettől eltérő módon több génváltozata is ismert, mint például a az ember esetében a négy vércsoportot meghatározó három tulajdonságváltozat (I A, I B, i), amely mindhárom elterjedt a populációkban. Egy olyan mechanizmust amely a különféle tulajdonságváltozatok megjelenésének (polimorf gének) kedvez a paradicsomféléknél és petúniáknál figyeltek meg. Az önmegporzás ellen valamint a keresztbeporzást elősegítendő kialakult egy inkompatibilitási gén, amelynek tulajdonágváltozatai meghatározzák egy pollen elfogadását. Ha a bibére nem megfelelő allélt tartalmazó pollenszemcse kerül, akkor a pollenszemcse nem hajt pollentömlőt és nem történik meg a megporzás (S1 allél, lásd ppt). Egyes növényfajoknál amelyek hasonló szaporodási rendszerrel rendelkeznek a kutatók az inkompatibilitás gén 92 tulajdonságváltozatát is megtalálták. Mivel ez az inkimpatibilitási rendszer kedvez az új mutánsok kialakulásának, ezért ez a példa extrámnek számít a többallélos öröklődás tekintetében dia 3.3. Többtényezős öröklésmenet: több génes öröklődés (komplementaritás, episztázis) 13

14 Két domináns gén együttes hatása Egy példa az egerek szőrzetszínének öröklődésére: homozigóta szürke egereket kereszteztek ugyancsak homozigóta barna egerekkel. Az F1 nemzedékben valamennyi egyed szőrszíne szürke volt. Az F1 nemzedék egyedeinek egymás közti keresztezéséből származó F2 nemzedékben az utódok között 9/16 szürke, 3/16 fahéjszínű, 3/16 fekete és 1/16 barna szőrzetű egyedet találtak. A négyféle fenotípusból, valamint a fenotípusok arányából az a következtetés adódik, hogy a szőrzetszín kialakításában két gén 2-2 allélja vesz részt. A barna színű egyedek mindkét jellegre nézve homozigóta recesszívek (aabb), mivel arányuk az F2 nemzedékben 1/16. A szülői nemzedék szürke egyedei mindkét jellegre homozigóta dominánsak (AABB). Az F1 nemzedék szürke egyedei mindkét jellegre nézve heterozigóták (AaBb). Fahéjszínű szőrzet AAbb, illetve Aabb, fekete szőrzet pedig aabb, illetve aabb genotípus esetén alakul ki. 6. ábra. Az egerek szőrzetszínének öröklődése Komplementaritás: Egyes esetekben két gén kölcsönhatásának eredményeképpen az F2-ben lehetséges 4 genotípus kevesebb fenotípust határoz meg, mert egyes fenotípusok kettő vagy több genotípust is magába foglalhatnak. Amikor kutatók a szagos bükköny (Lathyrus odoratus) virágának színét vizsgálták, amikor arra lettek figyelmesek, hogy a fehér és lila virágú egyedek keresztezése eredményeképpen az F1-ben az egyedek lila virágúak voltak, míg az F2-ben 9:3 lila vs. fehér virágú hasadási arányt kaptak. Tehát a két gén amely 14

15 a virág színét meghatározza kiegészíti egymást, mindkét gén domináns tulajdonságváltozatának jelenlétében alakul ki a lila virágszín. Ennek a komplementaritásnak a lehetséges biokémiai magyarázata abban rejlik, hogy egy színtelen pigment színessé alakítása két enzimet ígényel. Tehát csak azok az egyedek lesznek lila színűek, amelyek mindkét enzim szintézisére képesek, azaz hordozzák a A és B tulajdonságváltozatokat. A másik három genotípus csoport (A bb, aa B, és aa bb) egyedei nem képesek az egyik enzim szintézisére, ezért a színtelen pigmentet nem tudják átalakítani így a virág színe fehér marad. A 9:3 arány két domináns gén komplementaritásából ered, ahol a két gén A B domináns tulajdonságváltozata szín megjelenését, míg a többi genotípus (A bb, aa B, és aa bb) a szín hiányát eredményezi. Recesszív episztázis A labrador kutyafajta szőrzetszínének kialakításában két gén alléljai vesznek részt. Ha az A gén domináns allélja megtalálható az egyed sejtjeiben (genotípus: AA vagy Aa), akkor a szőrzet sötét színű. B gén domináns alléljának (BB vagy Bb) jelenlétében fekete, B génrecesszív alléljának (bb) jelenlétében pedig csokoládébarna. Ha az egyed A génre nézve homozigóta recesszív (aa), akkor a szőrzet világossárga színű, mert a hámsejtekben nem működőképes a sötét színű festékanyag előállítását katalizáló enzim. A világos szőrzetű egyedek genotípusa aabb, aabb és aabb lehet. 7.ábra. A labrador szőrzetszínének öröklődése 15

16 Homozigóta sárga színű kant pároztattak homozigóta, barna színű szukával. Az utódok kivétel nélkül fekete színűek lettek. Az F1 nemzedék egyedei között végrehajtott keresztezésekből származó kiskutyák 9/16-a fekete, 3/16-a barna és 4/16-a sárga szörzetű volt. A keresztezés eredményéből kitűnik, hogy a szülői nemzedékben a sárga bundájú kan genotípusa aabb, a barna szukáé pedig AAbb lehetett. Az F1 nemzedék egyedei mindkét génre heterozigóták (AaBb), keresztezésükből 9:3:4 arányban származhatnak fekete, barna és sárga szőrzetű utódok. Az A génhomozigóta recesszív formában (aa) elnyomja a B génalléljainak hatását. Az ilyen típusú génkölcsönhatás a recesszív episztázis. Domináns episztázis Egy kísérletben homozigóta fekete maghéjúbabfajtát kereszteztek ugyancsak homozigóta fehér magvúval. Az F1 nemzedék valamennyi egyede fekete maghéjú lett. Ebből a kutatók először arra gondoltak, hogy a jelleg domináns recesszív módon öröklődik. Az F1 egyedek egymás közötti keresztezésének eredménye azonban eltért a várttól: az utódok 12/16-a fekete, 3/16-a barna, 1/16-a fehér maghéjú lett. A barna fenotípus megjelenéséből, valamint a fehér maghéjú egyedek számarányából az állapítható meg, hogy a jelleg kialakításában két gén alléljai vesznek részt. 8. ábra. A bab maghéjszínének öröklődése A fehér maghéjrecesszív jelleg, az F2 nemzedékben tapasztalt arány alapján az ilyen egyedek genotípusa aabb. A szülői nemzedékben a fekete maghéjú egyedek mindkét genre homozigóta dominánsak (AABB). 16

17 Homozigóta recesszív egyedekkel való keresztezésük az F1 nemzedékben mindkét génreheterozigóta (AaBb), fekete maghéjú utódokat ad. A heterozigóták egymás közti keresztezéséből származó utódok közül azok, amelyekben jelen van A géndomináns allélja (AA vagy Aa), fekete maghéjúak. Az A génrehomozigóta recesszív egyedek (aa) közül a barna maghéjúakban B génből domináns (BB vagy Bb), a fehér maghéjúakbanrecesszív allél (bb) található. Ez a génkölcsönhatás a domináns episztázis. A maghéjszín kialakulásakor az egyik gén domináns allélja megakadályozza a másik gén alléljainak megnyilvánulását. 17

18 4. AZ ÖRÖKLŐDÉS KROMOSZÓMA ELMÉLETE. MITÓZIS ÉS MEIÓZIS, GAMÉTAKÉPZŐDÉS 4-11 dia 4.1. Kromoszómák a gének hordozói Az eukarióta sejtek osztódása bonyolultabb, hiszen a genetikai anyag több gént tartalmaz, amelyek nem egyetlen, hanem több kromoszómán találhatók, és ezeket egyenlően kell elosztani a két leánysejt között. A kromoszómák jól meghatározott számban fordulnak elő az eukarióta sejtekben (pl. az ember esetében 23 pár kromoszóma azaz 46 kromoszóma található). Minden kromoszóma két karral, egy röviddel és egy hosszúval rendelkezik. Az a pont ahol két kromoszóma kapcsolódik az a centromérának nevezett régió. A kromoszómák száma egy testi sejtben fajra jellemző, és minden kromoszóma, forma, méret és genetikai információ szempontjából két másolatban található meg a testi sejtekben, amelyből az egyik apai a másik meg anyai eredetű. Ezeket a kromoszómákat homológ kromoszómáknak nevezzük (lásd 9. ábra). A sejtosztódás előtt a sejt megkettőzi a genetikai anyagát, így minden kromoszóma 2 testvérkromatidából áll. Ezek genetikai szempontból egymás pontos másolatai, amelyek a sejtosztódás során kettéválnak, így a leánysejtek ugyanazt a genetikai anyagot fogják tartalmazni. 9. ábra. A homológ kromoszómák és a testvérkromatidák (Forrás: 18

19 Minden kromoszóma egy hosszú DNS molekulából áll, amelyen ezernyi gén található, és amely fehérje molekulák segítségével egy kondenzált, összecsomagolt formáját alkotja a genetikai anyagnak. Ezt a gyöngyfüzérhez hasonló struktúrát kromatinnak nevezzük. A kromatint nukleoszómák, azaz hiszton fehérjékből álló törzsből és a rátekeredett DNS-ből álló ismétlődő struktúrák alkotják. 10. ábra. A kromoszóma és építőköve a DNS (Forrás: dia 4.2. Mitózis: számtartó sejtosztódás Tágabb értelemben a mitózis az a folyamat, amelynek során egy eukarióta sejt osztódással két genetikailag egyenértékű utódsejtet hoz létre. Szűkebb értelemben a mitózis a mag osztódását (kariokinézis) jelenti, amely során a megkettőződött testvérkromatidák szétválnak. A kariokinézist a sejttest befűződéssel történő osztódása követi (citokinézis), amely során a citoplazma és annak organellumai osztódnak. A kariokinézist a mikrotubulusokból felépülő magorsó végzi, és a szétválasztás rendkívül pontos. A citokinézis a miozint és aktint tartalmazó kontraktilis gyűrű segítségével valósul meg, és előfordul az is, hogy a két utódsejt tömege eltérő. A mitózisnak 5 szakaszát különböztetjük meg: profázis, prometafázis, metafázis, anafázis és a telofázis, az utóbbit a citokinézis követ. A mitózis előtt, az interfázisban, a sejt genetikai anyaga megkettőződik, tehát a sejtek két kromatidás állapotba kerülnek, és a centriólumot (sejtközpont) tartalmazó centroszómák is megkettőződnek. 19

20 Profázis A profázis során változások állnak be mind a sejtmagban mind a citoplazmában. A sejtmaghártya feloldódik és a kromoszómák összeszerelődnek. Minden megkettőződött kromoszóma két testvérkromatidából áll, amelyek a centromer régióban kapcsolódnak össze. A centromer régióban speciális fehérjék találhatóak, amelyek egy-egy korongszerű képletbe, a kinetochorba csoportosulnak (11. ábra). Ez az a hely a kromoszómán, ahová a magorsó mikrotubulusai be tudnak kötődni. Centromer régió hiányában a kromoszóma nem tud a szállítóapparátushoz kötődni, ezért véletlenszerűen sodródik egyik vagy másik utódsejtbe. A profázis során a citoplazmában az osztódási orsó vagy magorsó kezd összeszerelődni, a két centroszóma eltávolodik és kialakulnak közöttük a magorsó fonalak (mikrotubulusok). 11. ábra. A kromoszóma centromer régiója, kinetochor (Forrás: Prometafázis A prometafázis során a kromoszómák és a szállítókészülék összekapcsolódnak. Ebben a szakaszban a pólusokon a két sejtközpont (centroszóma) körül véglegesen kialakul a magorsó vagy osztódási mikrotubuláris rendszere, mely kinetochor és nem kinetochor mikrotubulusokból áll. A kinetochor mikrotubulusok a kromoszómákat kapcsolják a pólusokhoz. A nem kinetochor mikrotubulusok nem kapcsolódnak kromoszómához, a magorsó felezősíkjában végeikkel egymásba csúsznak (lásd 12. ábra). Prometafázisban a kromoszómák a két pólus között véletlenszerűen mozognak, amíg minden kinetochorhoz hozzákötődik néhány mikrotubulus. Ha a kromatidákon levő egyik kinetochor kapcsolatot 20