Mendeli genetika, kapcsoltság
6. MENDELI GENETIKA. KAPCSOLTSÁG ÉS GÉNTÉRKÉPEK. Mendel szabályai. Az örökl dés típusai. Független kombinálódás. Kapcsoltság, crossing over és géntérképek.
26
egyformák. (Természetesen, ha homozigóta szül ket kereszteznek egymással.) Az alacsonyság tulajdonsága látszólag elt nt. A magas tulajdonság domináns, az alacsony pedig recesszív.
A fejezetet Szabad János egyetemi tanár állította össze 2011. szén. BEVEZETÉS A tulajdonságok örökl dése régóta foglalkoztatja az emberiséget. Az örökl dés törvényszer ségeit el ször egy Ágoston rendi szerzetes, Gregor Johann Mendel ismerte meg és tette közkincsé 1865-ben. Thomas Hunt Morgan és munkatársai (1913) mutatták meg, hogy a tulajdonságok ún. kapcsoltsági csoportokban örökl dnek, és hogy egy kapcsoltsági csoport egy kromoszómának felel meg. A gének, mint gyöngyök egy füzéren sorakoznak a kromoszómákban. Sorrendjük és távolságuk alapján szokás szerkeszteni a genetikai térképeket. A jelen fejezet az örökl dés törvényszer ségeivel foglalkozik és leírja a géntérképek szerkesztésének elvi alapjait. Néhány fontosabb genetikai fogalom Gén: az örökl dés, és a genetikai funkció egysége, a DNS jól definiálható szakasza. Allél: a gén olyan változata, amely a gén többi változatától megkülönböztethet . Lokusz: a gén helye a kromoszómában. Genotípus: egy él lény genetikai tartalma, egy vagy több gént, tulajdonságot illet en. Fenotípus: mindazon látható jellegzetességek összessége, amelyek a genetikai tartalom és a környezeti tényez k együttes hatására fejl dnek ki. Heterozigóta: olyan él lény, amely egy gén különböz alléljait hordozza. Homozigóta: olyan él lény, amely egy gén ugyanazon alléljait hordozza. Hemizigóta: a diploid él lényekben egyetlen kópiában jelenlev génekre vonatkozó állapot. (Mint pl. az X kromoszómákhoz kapcsolt tulajdonságok az XY egyedekben.) Recesszív: olyan allél, amely fenotípusa csak homo-, vagy hemizigóta állapotban nyilvánul meg. Domináns: valamely allél azon képessége, hogy heterozigóta állapotban is meghatározza a fenotípust. Expresszivitás: egy tulajdonság kifejez désének mértéke a fenotípusban, az egyedek szintjén. Penetrancia: a fenotípust mutató hordozók aránya a populáció szintjén.
A Mendel szabályok 1. Az uniformitás szabálya Mendel kísérleteiben a borsónak olyan ún. tiszta genetikai vonalait használta, amelyekben minden szül homozigóta egy (vagy több) tulajdonságra. Els kísérleteinek egyikében Mendel magas növényeket keresztezett alacsonyakkal (6.1. ábra). Tapasztalatai szerint az els , ún. F1 generáció minden tagja egyformán (uniformisan) magas volt. Mendel els , az uniformitás szabálya értelmében az F1 generáció tagjai
6.1. ábra. A Mendel kísérletek kivitelezésének sémája.
2. A hasadás szabálya Mendel az F1 generáció tagjait egymás között keresztezte, és elkészítette a második, ún. F2 generációt. Megfigyelte, hogy az F2 generációban 3:1 arányban származtak magas és alacsony növények. Mendel második, a hasadás szabálya értelmében a szül i tulajdonságok a második generációban 3:1 arányban hasadnak. Mendel hét tulajdonságpár örökl dését tanulmányozta. (6.1. táblázat).
6.1. táblázat. Mendel F2 eredményei egy-egy allélpárra. Tulajdonság A mag alakja A sziklevél alakja A mag színe A hüvely alakja A hüvely színe A virágok helyzete
Domináns darab % 5474 74,7 6022 75,1 705 75,9 882 74,7 428 73,8 651 75,9
Recesszív darab % 1850 25,3 2001 24,9 224 24,1 299 25,3 152 26,2 207 24,1
Összesen 7324 8023 929 1181 580 858
Mendel a 3:1-es hasadási arány alapján arra következtetett, hogy a növények magasságát két faktor határozza meg. (A faktorokat ma géneknek nevezzük.) Felismerte, hogy (i) az ivarsejtek a faktoroknak csak az egyikét hordozzák (vagy a T = magas, vagy a t = alacsony faktort), és hogy (ii) a n i és a hím ivarsejtek véletlenszer en kombinálódnak (6.2. ábra). Az ivarsejtek véletlenszer kombinálódása eredményezi a domináns allélra homozigóta (T/T), a heterozigóta (T/t és t/T), valamint a recesszív allélra homozigóták (t/t) képz dését. Az els három típus hordozza a T domináns allélt és magasak, a negyedik t/t homozigóta és alacsony. A genotípusok szegregációjának, hasadásának aránya 1 T/T : 2 T/t és 1 t/t.
Mendeli genetika, kapcsoltság
6.2. ábra. Az ivarsejtek a két faktornak csak az egyikét hordozzák, és a megtermékenyülés folyamán véletlenszer en kombinálódnak.
A lehetséges geno- és fenotípusok számbavételére R. Punnett egy olyan eljárást dolgozott ki, amelyben egy táblázat fejlécében és els oszlopában a szül k ivarsejtjeinek lehetséges genotípusai vannak feltüntetve. A Punnett táblázat további helyeiben az utódok lehetséges genotípusai vannak feltüntetve.
Az ivarsejtek genotípusa. Egyik szül
27
hasonlók) betegek. A sok közül csak néhányat említünk érint legesen. A cisztás fibrózis (cf) Európában a leggyakoribb örökl d betegség: 2000 újszülött között egy cf/cf. (A heterozigóták aránya 1/22!) A cf/cf gyermekek tüdejében s r váladék képz dik és pang. Tüd , hasnyálmirigy és emészt rendszeri tünetek is kifejl dnek. A halál 20-30 éves korban következik be. A CF ép gén (és természetesen mutáns alléljai is) a 2. kromoszóma része. A CF gén egy 1480 aminosavból álló fehérjét kódol, amely a sejtmembránhoz kapcsolódva a klorid ioncsatornák m ködést szabályozza (6.3. ábra). A mutáns fehérjék hibás vagy hiányzó klorid csatorna funkciót, betegséget és halált eredményeznek. A Tay-Sachs betegséget a hexózaminidáz-A enzim hiánya okozza. Az enzim hiányában az idegrendszer fokozatos degenerációja következik be, majd halál ötéves kor el tt. A betegség gyakorisága 1/3600 az askenázi zsidók között. A fenilketonúria a hibás fenilalanin metabolizmus következménye. A homozigóták szellemi fogyatékosak, és általában 30 éves koruk el tt meghalnak. A sarlósejtes vérszegénység a -hemoglobin egyetlen aminosavának cseréje miatt következik be. Az albinizmus olyan mutációk következménye, amelyek a színanyagok szintézisét szüntetik meg.
Az ivarsejtek genotípusa. Másik szül T t
T
TT
Tt
t
tT
tt
Példák a domináns-recesszív örökl désre emberben. Autoszómákhoz kapcsoltan örökl d tulajdonságok, betegségek Az embereknek számos olyan tulajdonságuk van, amelyek domináns-recesszív módon örökl dnek. Pl. a barna szem domináns a kékkel, a gyapjas haj a simával szemben. (Csirkékben a kopasz nyak domináns a tollassal szemben.) Számos örökletes betegség örökl dés mintázata domináns-recesszív mintát követ, amint azt a T és a t allélpár esetében láttuk. Pl. a rövidujjúságot (brachydactylia) és a sokujjúságot (polydactylia) az autoszómákhoz kapcsolt Bd és Pd domináns mutációk okozzák. Talán meglep , de a sokujjúság nem alakul ki minden Pd/+, a mutációt hordozó emberben: a Pd mutáció penetranciája nem 100%-os. A sokujjúság mértéke, Pd mutáció expresszivitása is változó: Pd/+ emberek között vannak olyanok, akiknek mind a négy végtagján hat ujj képz dik, másoknak csak az egyiken, esetleg egyiken sem. B ségesen ismertek olyan örökl d betegségek, amelyekben a mutációra homozigóta emberek (a t/t-hez
6.3. ábra. A CF gén, és a CFTR fehérje szerkezete.
Az inkomplett domináns (intermedier vagy szemidomináns), és a kodomináns örökl désmenet A T allél a homológ kromoszómák egyikének, a t másikának a része. Az allélok örökl dése egy olyan általános sémát követ, amely alapja a homológ kromoszómák szegregációja a meiózis két osztódása folyamán. Az inkomplett domináns (más néven intermedier vagy szemidomináns) örökl dés esetében a heterozigóták fenotípusa sem a domináns homozigótákra, sem a recesszív homozigótákra nem jellemz . A domináns allél által meghatározott tulajdonság kifejez dése nem teljes, inkomplett, szemidomináns vagy intermedier. A kodomináns örökl dés esetében a két allél a fenotípushoz azonos mértékben járul hozzá. A legismertebb példa az A és a B vércsoportok örökl dése. (Az AA emberek vércsoportja éppúgy A típusú, mint az A0 vagy az AB embereké.) Nemhez kapcsolt örökl dés Menedel kísérleteiben, vagy pl. a barna és a kék szemszín örökl dése során az utódok tulajdonságai nem függenek sem a szül k, sem pedig az utódok nemét l.
Mendeli genetika, kapcsoltság Azokban a kísérletekben viszont, amelyekben Thomas Hunt Morgan és munkatársai vörös szem muslica (Drosophila melanogaster) n stényeket fehérszem hímekkel kereszteztek, minden utód szeme uniformisan vörös volt (6.2. táblázat). Meglepetésükre, a reciprok keresztezés során, amikor is fehérszem n stényeket kereszteztek vörös szem hímekkel, minden hím utód szeme fehér volt és minden n tény szeme vörös (6.2. táblázat). A Morgan csoport arra következtetett, hogy a hím utódok a fehér mutációt tartalmazó allélt kapták a n stényekt l, és nem hordozták a homológ kromoszómát, amelynek része ép gén. Azt a kromoszómát, amelynek része a szemszínt kódoló gén, nemi, ivari vagy X kromoszómának nevezték el. Az X kromoszómából a n stények sejtenként kett t, a hímek csak egyet hordoznak. A n stények tehát olyan X kromoszómákat hordoztak, amelyek egyike a fehér (mutáns), másika a vörös (vadtípusú) allélt tartalmazta. Lévén a vörös domináns a fehérrel szemben, a n stények szeme vörös volt. Természetesen a fehér/vörös heterozigóta n stényekt l fele-fele arányban származtak vörös, valamint fehérszem hímek. A muslica X kromoszómáján kb. 2200 gén van. A vadtípusú, vörös szemszínt kódoló gén egy a 2200 közül. A hímekre jellemz nemi kromoszómát Y-nak nevezzük. (Madarakban és a szenderféle lepkékben a hímek nemi kromoszóma összetétele ZZ, a n stényeké ZW.)
28
enzim hiánya miatt alakul ki. A HPRT a purin és az ATP bioszintézis fontos eleme. A HPRT enzim hiánya abnormális szellemi tevékenységhez, paralízishez vezet. A vérzékenységet is egy X-hez kapcsolt mutáció okozza. A mutáció eredményeként véralvadási zavarok fejl dnek ki a fiúkban (6.4. ábra). Az izomsorvadást a disztrofin gén mutációi okozzák. A disztrofin gén a legnagyobb ismert emberi gén: 2,4 millió bázispárból áll. Az ép gén terméke, a disztrofin fehérje, a sejtváz és a sejtközötti állomány között teremt kapcsolatot egy transzmembrán komplexen keresztül (6.6. ábra). A disztrofin gén mutációi az izmok fokozatos sorvadását eredményezik a harmadik életévt l kezd d en. A színvakságot vagy Daltonizmust és az ichthyosist (pikkelyb r ség) is X kromoszómához kapcsoltan örökl d mutációk okozzák.
6.2. táblázat. A reciprok keresztezések eredménye vörös és fehérszem muslicákkal. A n stény ivarsejtje X
A n stény ivarsejtje X
A hím ivarsejtjei X Y XX XY vörös vörös reciprok keresztezés A hím ivarsejtjei Y X XX XY vörös fehér
X = X kromoszóma, amely a vadtípusú, vörös szemszínt kódoló allélt hordozza.
6.4. ábra. Az ember X kromoszóma egy részének genetika térképe.
X = X kromoszóma, amely a mutáns, fehér szemszínt kódoló allélt hordozza.
Az ember X kromoszómája, a muslicához hasonlóan, sok gént tartalmaz. Férfiakban az X kromoszómához kapcsolt gének hemizigóta állapotban vannak, vagyis sejtenként csak egy kópiában, mert az Y kromoszóma csak nagyon kevés olyan gént tartalmaz, amely az X kromoszómának is része (6.4. ábra). Az X kromoszómához kapcsolt mutációk általában a férfiakat befolyásolják és jellegzetes örökl désmintázatot mutatnak: a mutáns tulajdonság (olykor betegség) minden második generációban a férfiakban nyilvánul meg, és a tulajdonságokat a heterozigóta hordozó anyák örökítik fiaikra (6.5. ábra). Emberben csak kevés X-hez kötött domináns mutációt ismerünk. Az X-hez kötött recesszív mutációk által okozott tulajdonságok sokkal ismertebbek. Itt csak néhányat említünk. A Lesch-Nyhan szindróma a hipoxanthin-guanin-foszforibozil-transzferáz (HPRT)
6.5. ábra. A vérzékenység nemhez kötött örökl dése családfa bemutatásával.
Mendeli genetika, kapcsoltság
Extracelluláris mátrix
Sejthártya
Összeköt fehérjekomplex
Disztrofin -hélix
Aktin köt rész
Aktin filament
6.6. ábra. A disztrofin fehérje a sejtváz és az extracelluláris állomány között létesít kapcsolatot.
Vannak, akik állítják, hogy a fülkagyló küls peremének sz rösödését az Y kromoszómához kapcsolt mutáns allél okozza. A nemre szorítkozó (angolul sex-limited) örökl dés kifejezés olyan génekre vonatkozik, amelyek csak az egyik nemben fejez dnek ki. Az els dleges, és a másodlagos nemi tulajdonságok változatai nyilvánvaló példák. (Meglehet sen nehéz volna az eml vagy a t gyalak genetikáját a hímeken tanulmányozni, bár az eml és a t gy alakjára vonatkozó géneket a hímek is örökítik utódaikra.) A mindkét nemben, ám a különböz nemekben különböz mértékben/módon kifejez d tulajdonságok nem által befolyásolt örökl dést (angolul sex-influenced) mutatnak. (A kopaszság bizonyos típusai örökl dnek a nem által befolyásolt módon.)
Keresztezések két génnel 3. A független kombinálódás szabálya Mendel olyan kísérleteket is folytatott, amelyekben két allélpár örökl dését követte, pl. az Y/y és az R/r allélpárokét. (Y = sárga, y = zöld szín borsó magvak, R = gömböly és r = szögletes magvak. Y és R a domináns, y és r a recesszív allélok.) Mendel YY; RR borsókat keresztezett yy; rr borsókkal. Az F1 generációban a magvak uniformisan sárgák és gömböly ek voltak, genotípusuk pedig Y/y; R/r. Mendel egymás között keresztezte az F1 Y/y; R/r borsókat és elkészítette az F2 generációt (6.3. táblázat).
6.3. táblázat. Az Y/y; R/r x Y/y; R/r keresztezésb l származó F2 utódok geno- és fenotípusa. An i ivarsejtek genotípusa
A hímivarsejtek genotípusa Y; R
Y; r
y; R
y; r
Y; R
YY; RR
YY; Rr
Yy; RR
Yy; Rr
Y; r
YY; Rr
YY; rr
Yy; Rr
Yy; rr
y; R
Yy; RR
Yy; Rr
yy; RR
yy; Rr
y; r
Yy; Rr
Yy; rr
yy; Rr
yy; rr
A fenotípusok: = sárga és gömböly ; = sárga és szögletes; = zöld és gömböly ; = zöld és szögletes.
29
Az F2 generációban az arányok a következ k voltak: sárga és gömböly : zöld és gömböly : sárga és szögletes : zöld és szögletes = 9 : 3 : 3 : 1. A 9 : 3 : 3 : 1 hasadási arány alapján Mendel arra következtetett, hogy a sárga/zöld és a gömböly /szögletes faktorok (ma gének) függetlenül kombinálódva örökl dnek. Vegyük észre, hogy a 9:3:3:1 hasadási arány a (sárga : zöld = 3:1) x (gömböly : szögletes = 3:1) két mendeli tulajdonság szegregációs arányának szorzata. A fentiek alapján Mendel harmadik szabálya azt mondja ki, hogy a különféle tulajdonságokat kódoló faktorok függetlenül kombinálódva örökl dnek. A független kombinálódás természetes, ha a két allél pár különböz autoszómákhoz kapcsoltan örökl dik. A 6.3. táblázat komplikáltnak t nhet. Az ún. kétfaktoros keresztezések áttekinthet bbé tételéért a genetikusok ún. tesztel keresztezéseket (angolul test cross) alkalmaznak. A tesztel keresztezésekben a partnerek egyike homozigóta a recesszív allélokra, amint azt a 6.4. táblázat mutatja. A tesztel keresztezés eredménye egyszer , mert (i) csak négyféle utód képz dik, és mert (ii) az egyes geno-, illetve fenotípusok aránya 1:1:1:1. A rekombinánsok aránya az utódok között 50%. 6.4. táblázat. Az Y/y; R/r x y/y; r/r tesztel keresztezésb l származó utódok geno- és fenotípusa. Az Y/y és az R/r allélok különböz kromoszómák részei. An i ivarsejtek genotípusa
A hímivarsejtek genotípusa y; r
Az utódok típusa
Az utód típusok aránya
Y; R
Yy; Rr
szül i
1
Y; r
Yy; rr
rekombináns
1
y; R
yy; Rr
rekombináns
1
y; r
yy; rr
szül i
1
A fenotípusok: = sárga és gömböly ; = sárga és szögletes; = zöld és gömböly ; = zöld és szögletes.
Kapcsoltság, kapcsoltsági csoportok Els ként Thomas H. Morgan csoportja figyelt fel arra, hogy miközben kett s heterozigótákkal tesztel keresztezéseket végeztek, az utódgenerációkban a fenotípusok aránya nem volt mindig 1:1:1:1. (Lásd a 6.4. táblázatot). Az 1:1:1:1-t l eltér hasadási arány azt mutatja, hogy a két gén (illetve alléljaik) nem függetlenül kombinálódva, hanem kapcsoltan örökl dnek. Kapcsoltan, mert nem különböz kromoszómák részei, hanem ugyanahhoz a kromoszómához kapcsoltan örökl dnek, és egymás közelében vannak. Érthet , hogy a szül i kategóriák (az A B és a b; 6.5. táblázat) gyakoribbak, mint a rekombinánsok (A b és a B). Ugyanakkor a két szül i, valamint a két rekombináns osztály aránya 1:1 (A B : a b = 1:1, és A b : a B = 1:1). A két rekombináns osztály azonos gyakorisága azt jelzi, hogy a rekombinánsok egyetlen esemény két, egymást kiegészít termékei. Az esemény a crossing over.
Mendeli genetika, kapcsoltság 6.5. táblázat. Az A/a; B/b x a/a; b/b tesztel keresztezésb l származó utódok geno- és fenotípusa. Az A/a és az B/b allélok ugyanannak a kromoszómák a részei, kapcsoltan örökl dnek. An i ivarsejtek genotípusa
A hímivarsejtek genotípusa a b
Az utódok típusa
Az utód típusok aránya1
A B
A B/a b
szül i
45
A b
A b/a b
rekombináns
5
a B
a B/a b
rekombináns
5
ab
a b/a b
szül i
45
A fenotípusok: = sötét, karéjos sziromlevelek; = fehér, csipkés sziromlevelek; = fekete, csipkés sziromlevelek; = fehér, karéjos sziromlevelek. 1 = egy példa. A kapcsoltan örökl d gének közötti távolságot a rekombinánsok gyakoriságával (%-ban) szokás mérni a következ összefüggés alapján: a rekombináns utód összes utód
x
100,
A rekombinánsok gyakorisága (%)
és Thomas H. Morgan tiszteletére centiMorgan (cM) egységben mérik. Az a két gén van 1 cM-ra egymástól, amelyek között 1%-os gyakorisággal képz dnek rekombinánsok. A fenti példában az A és a B gének közötti távolság = (5+5/45+5+45) x 100 = 10 cM. A legnagyobb mérhet távolság 50 cM. Ha ugyanis két gén >50 cM-ra van egymástól, a rekombinánsok gyakorisága 50%. Éppen annyi, mit a szül i (vagy a rekombináns) kategóriáké a különböz kromoszómákon lev allélpárok esetében, vagyis a négy kategória aránya 1:1:1:1, mintha a két gén különböz kromoszómához kapcsoltan örökl dne (6.4. táblázat). Mendel 3. szabálya tehát módosul: a különböz kromoszómákon, valamint az ugyanazon a kromoszómán, egymástól >50 cM-ra lev gének függetlenül kombinálódva örökl dnek. Mivel a rekombináns kromoszómák (utódok) arányát valamely két pont között bekövetkez második crossing over csökkenti, torzul a gének közötti mért és valós távolság. A gének között mért és valódi távolságok viszonyát JBS Haldane (1919) térképfüggvénye írja le: r = 1 (1 e 2m), ahol r a rekombináns kromoszómák aránya, m pedig két pont távolsága (cM).
A fentiek miatt a térképtávolságokat rövid, rendszerint kisebb, mint 10 cM egységekben mérik, majd a kis távolságokat összeadják. A nagy kromoszómák térképei jóval több, mint 100 cM hosszúak, a kisebbeké akár csak néhány cM-nyiak is lehetnek. A genetikai térképek A rekombinánsok típusa, és gyakorisága alapján A. H. Sturtevant olyan módszert dolgozott ki, amellyel genetikai térképek szerkeszthet k, vagyis meghatározható a kapcsoltan örökl d gének (i) sorrendje, valamint (ii) a köztük lev távolságok is. A genetikai térképek gysége a cM. Morgan és Sturtevant azt is megmutatta, hogy a gének, mint gyöngyök a füzéren, lineárisan követik egymást és ún. kapcsoltsági csoportokat alkotnak. A kapcsoltsági csoportok száma azonos a haploid kromoszóma számmal. A 20. század elején vált nyilvánvalóvá, hogy a kromoszómák az örökl d tulajdonságok anyagi hordozói. Morgan és sokan mások bizonyították, hogy az örökl dés törvényszer ségei általános érvény ek az él világban. Részletes genetikai térképek nemcsak a muslica, hanem más fajok esetében is készültek. Jól ismert az éleszt , a kukorica, az egér, az ember és néhány más faj géntérképe. A genetikai térképek a fizikaiakkal és a molekulárisakkal egyetemben teszik lehet vé az örökl d tulajdonságok molekuláris szint vizsgálatát, a gének molekuláris klónozását, módosítását és akár a génterápiát is. A családfák A tulajdonságok generációkon át történ örökl dését a családfákkal szokás szemléltetni (6.5. ábra). A családfák egy, esetleg néhány tulajdonság örökl dését szemléltetik. A családfák tanulmányozása alapján megállapítható, hogy milyen örökl dés menetet követ az illet tulajdonság (vagy örökl d betegség), amely ismeret segít a lehetséges utódok típusainak és gyakoriságaik megállapításában.
ÖSSZEFOGLALÁS Az örökl dés törvényszer ségei általános érvény ek az eukariotákban, és összhangban vannak a kromoszómák "viselkedésével" a meiózis folyamán. A marker mutációk (látható fenotípust eredményez allélok) tették lehet vé a géntérképezést, a kapcsoltsági csoportok felállítását, az eligazodást a gének között. A géntérképek a molekuláris genetika alapjai.
50 40 30 20 10
A crossing overek átlagos gyakorisága 4 2 3 1 50
100
150 200 A gének távolsága (cM)
6.6. ábra. Haldane térképfüggvénye a rekombinánsok gyakorisága és a gének távolsága közötti összefüggést írja le.
30
FORRÁSOK 1. Sadava, D. és mtsi., Life the Science of Biology, 9. kiadás, 237-259, 2011. 2. Griffiths, A.J.F. és mtsi.. Genetic Analysis, 31-180, 2008. 3. Fristrom, J.W. and Clegg, M.T., Principles of Genetics, 147-177, 201-252, 1989. 4. Rédei, P.G., Genetika, 87-110, 1982.
