Vježba br. 2 18.10.2013

Mendelova genetika

1. Gregor Johann Mendel

Rođen je 20. srpnja 1822. godine kao Johann Mendel, u malom selu Hynčice (nje.

Heizendorf bei Odrau), Šleska (tada dio Austro-Ugarske, a danas Češke. Lokalni učitelj i

svećenik uočili su Johannovu inteligenciju te mu pomogli da nastavi školovanje. U slučaju da se

priključi augustincima - crkvenom redu koji se bavi podučavanjem, crkva bi mu platila

školovanje. Mladi Mendel se zaredio 1843. u samostanu grada Brûnna (danas Brno). Poštujući

augustinijanska pravila, izabrao je i novo ime - Gregor.

Iako je nasljeđivanje bioloških osobina bilo poznato hiljadama godina prije, prvi značani

pogledi na mehanizam nasljeđivanja nastali su tek prije 140 godina. 1886. Godine Gregor Johann

Mendel je publicirao rezultate serije eksperimenata koja bi bila fundamentalna podloga genetike.

On je odredio da postoje posebne jedinice nasljeđivanja i predvidio je njihovo ponašanje u toku

formacije gameta. Vrlo brzo Mendelovi postulati su se prihvatili kao osnova za proučavanje, što

je danas poznato kao Mendelova ili transmisiona genetika. Ovi principi objašnjavaju kako su

geni preneseni sa roditelja na dijete.

2. Korištenje eksperimentalnih modela

Mendel je prvo objavio nekoliko jednostavnih genetičkih ukrštanja između određenih

vrsta mohune 1865. godine. Pokazao je nevjerovatan pogled na metodologiju neophodnu za

dobre eksperimente u biologiji. Prvo je izabrao organizam koji je lako uzgajati i hibridizirati

vještački, iako se mohune samo-fertiliziraju u prirodi. Biljka se reproducirala i rasla do

sazrijevanja u jednoj sezoni. Mendel je potom izabrao sedam vizuelnih karakteristika gdje svaka

predstavlja dvije kontrastne forme i osobine (za visinu je uzeo karakteristike: visoka ili niska

biljka). Mendel je dobio čiste sorte u kojima se svaka karakteristika nije promijenila, generaciju

nakon generacije u samoreproduktivnim biljkama. Mendel je umanjio svoje eksperimente na

jedan ili nekoliko parova različitih osobina u svakom eksperimentu. Imao je kvantitativne

bilješke koje su neophodne u genetičkim eksperimentima. Iz analize njegovih rezultata, određeni

postulati su postali principi transmisione genetike. On je otkrio osnovu za transmisiju nasljednih

osobina.

3. Monohibridno križanje

Mendelova jednostavna križanja uključuju samo jedan par različitih osobina i svaki ovaj

eksperiment je nazvan monohibridno križanje. Monohibridno križanje je nastalo ukrštavanjem

individua dva roditelja, od koji svaka pokazuje jednu od dvije različite osobine.

Proučavao je prvu generaciju nasljednika svakog križanja i uzeo u obzir nasljednike

samoreproduktivnih individua prve generacije. Orginalni roditelji su nazvani P1 ili roditeljska

generacija, njihovi nasljednici su F1 ili prva sinovska generacija i individue koje rezultiraju

samoreprodukcijom F1 generacije su F2 ili druge sinovske generacije.

3.1. Mendelovi postulati

Koristeći konstantan patern rezultata u monohibridnom križanju. Mendel je postavio

prateća tri postulata ili principa nasljeđivanja:

Jedinični faktor u paru

Genetičke karakteristike su kontrolirane jediničnim faktorima koji postoje u parovima

individualnih organizama. Svaka diploidna individua dobije jedan faktor od svakog roditelja.

Svaki faktor postoji u paru i tri kombinacije su moguće npr. dva faktora za visinu, dva faktora za

niskost i jedan od svakog roditelja. Svaka individua sadrži jednu od tri kombinacije.

Dominantnost/recesivnost

Kada su dva različita jedinična faktora odgovorna za jednu karakteristiku, prisutna u

jednoj individui, kaže se da je jedan jedinični faktor dominantan nad recesivnim. Osobina

ekspresirana u F1 generaciji rezultira iz prisustva dominantnih jediničnih faktora. Ona osobina

koja nije ekspresirana u F1 generaciji, ali koja se pojavi u F2 generaciji je pod genetičkim

utjecajem recesivnih jediničnih faktora. Dominantno-recesivni vezani patern postoji jedino, kada

su različiti faktori prisutni u individui. Termini, dominantan i recesivan se također, koriste da se

odredi osobina.

Segregacija

U toku formacije gameta, parni jedinični faktori se odvajaju, segregiraju randomno, tako

da svaki gamet dobije ekvivalent jediničnih faktora od jednog i drugog. Da bi lakše objasnili uzet

ćemo visinu biljke kao primjer. Mendel je zaključio da P1 visoke biljke sadrže identičan par

jediničnih faktora kao i P1 niskih biljaka. Gameti visokih biljaka su dobile jedan jedinični faktor

za visinu, kao rezultat segregacije. Fertilizacijom sve F1 biljke su dobile jedan jedinični faktor od

svakog roditelja, faktor za visinu i faktor za niskost od drugog roditelja ponovo uspostavljajući

vezu parova.

3.2. Moderna genetička terminologija

Gen je fundamentalna fizička jedinica nasljedstva (DNA) čije postojanje može

biti potvrđeno varijacijama alela koji su smješteni na specifičnom

hromozomalnom lokusu.

Lokus je genska lokacija na hromozomu ili unutar DNA molekule.

Alel je specifična DNA sekvenca nađena na lokusu gena. Svaka različita DNA

sekvenca na lokusu je različit alel.

Heterozigot je individua sa različitim alelima na jednom ili više lokusa

homolognih hromozoma i ove individue će proizvoditi različite gamete.

Homozigot je individua sa identičnim alelima na jednom ili više lokusa

homolognih hromozoma i ove individue će proizvoditi identične gamete.

Dominacija je mogućnost jednog alela da fenotipično maskira efekat drugog alela

u heterozigotu.

Recesivnost je alel u alelskom paru koji nije fenotipično ekspresiran kada je drugi

dominantni alel prisutan.

Fenotip je zapažena osobina organizma koja je genetički kontrolirana i

međusobno djeluje sa okolinom.

Genotip je specifični alel ili genetski sastav individualnog organizma.

3.3. Punnett kvadrat

Genotip i fenotip rezultiraju iz rekombinacije gameta u toku fertilizacije, što može biti

vizuelno prikazano konstrukcijom punnett kvadrata.

Slika 1. Punnett kvadrat- monohibridno križanje (http://hr.wikipedia.org/wiki/Genetika)

3.4. Mendelovo dihibridno križanje

Mendel je također dizajnirao eksperimente u kojima proučava dvije karakteristike

istovremeno. Ovaj tip križanja uključuje dva para različitih osobina nazvano dihibridno križanje

ili dvo-faktorno križanje. Da bi razumjeli rezultate dihibridnog križanja teoretski ćemo uzeti u

obzir da se sastoji od dva monohibridna križanja koja se ponašaju odvojeno. Jasno je da dva para

različitih osobina, koje su nasljedili neovisno, možemo predpostaviti frekvenciju svih

mogućnosti F2 genotipa koristeći „produkt zakona mogućnosti“: Kada se dva neovisna događaja

dese odvojeno, kombinacija mogućnosti dva rezultata je ekvivalentna produktu njihovih

individualnih mogućnosti pojava. Na bazi sličnih rezultata brojnih dihibridnih križanja, Mendel

je predložio četvrti postulat.

Neovisno asortiranje

U toku gametske formacije, segregirani parovi jediničnih faktora se svrstavaju neovisno

jedan od drugog. Ovaj postulat određuje da svaki par jediničnog faktora segregira neovisno od

ostalih jediničnih faktora.

Slika 2. Dihibridno križanje (http://163.16.28.248/bio/activelearner/10/ch10c5.html)

Primjer dihibridnog križanja

Kod dihibridnog križanja prati se nasljeđivanje dvaju svojstava, odnosno dva para alela.

Ovdje se primjenjuje 2. Mendelov zakon – Zakon nezavisnog odvajanja alela. Uzmimo

Mendelov primjer s graškom. Pratimo nasljeđivanje dvaju svojstava:

· boja zrna graška – žuta (A) ili zelena (a) ·

- oblik zrna graška – okruglo (B) ili naborano (b)

Dominantna svojstva su žuta boja i okrugli oblik zrna., a recesivna zelena boja i naborani

oblik zrna. Križamo li dva homozigota za oba svojstva, dominantni homozigot (AABB, fenotip

je žuto okruglo zrno) i recesivni homozigot (aabb, fenotip je zeleno naborano zrno) to

prikazujemo na sljedeći način:

P AABB × aabb

Sada treba odrediti gamete koje roditelji mogu proizvesti. Budući da se aleli za dva

promatrana svojstva nalaze na različitim kromosomima, oni se u gamete odvajaju neovisno (2.

Mendelov zakon), te u svaku gametu odlazi samo jedan alel za svako svojstvo. Kako

promatramo dva svojstva (dihibridno križanje), u svaku od gameta će se rasporediti po jedan alel

za boju zrna (A ili a) i po jedan alel za oblik zrna (B ili b).

Budući da su oba roditelja homozigoti za oba svojstva, stvaraju svaki po jednu vrstu

gameta:

gamete AB ab

Spajanjem ovih gameta nastaje samo jedna kombinacija u F1 generaciji, pa su sve jedinke

(100%) iz F1 generacije heterozigoti za oba svojstva (genotip), a fenotipski imaju žuto okruglo

zrno:

F1 AaBb

Slijedi međusobno križanje (ili samooplodnja) jedinki F1 generacije kako bi se dobila F2

generacija:

F1 AaBb x AaBb

Budući da u svaku gametu dolazi po jedan alel za svako od dva promatrana svojstva, i da

je rasporeñivanje kromosoma u gamete nasumično (vidi Vježbu 9), heterozigoti za dva svojstva

daju četiri vrste gameta u omjeru 1:1:1:1.

gamete AB, Ab, aB, ab AB, Ab, aB, ab

Pomoću Punnettovog kvadrata odreñuje se koje kombinacije alela mogu nastati kao

rezultat spajanja tih gameta:

Dakle, u drugoj filijalnoj, F2, generaciji očekivani omjer genotipova je sljedeći:

F1:

AABB 1/16 Aabb 2/16

AABb 2/16 aaBB 1/16

AAbb 1/16 aaBb 2/16

AaBB 2/16 aabb 1/16

AaBb 4/16

ili:

AABB : AABb : AAbb : AaBB : AaBb : Aabb : aaBB : aaBb : aabb = 1 : 2 : 1 : 2 : 4 : 2 : 1 : 2 :1

Omjer fenotipova u F1 je:

9 : 3 : 3 : 1

Primijetite da kod monohibridnog križanja postoje 2 različita fenotipa i 3 različita

genotipa, a kod dihibridnog 4 različita fenotipa (žuto okruglo, žuto naborano, zeleno okruglo i

zeleno naborano zrno) i 9 različitih genotipova (AABB, AABb, AAbb, AaBB, AaBb, Aabb,

aaBB, aaBb, aabb).

3.5. Mendelovo trihibridno križanje

Mendel je talođer, pokazao da se procesi segregacije i neovisnog asortiranja odnose na tri

para različitih osobina, što je nazvano trihibridno križanje ili tri-faktorno križanje. Trihibridno

križanje je komplikovanije od dihibridnog križanja, ali njihove rezultate je lako izračunati, ako se

prate principi segregacije i neovisnog asortiranja. Korištenjem punnett kvadrata, križanje bi bilo

preopširno, pa se za točno predviđanje koristi metoda viljuške.

Lakše je uzeti u obzir svaki različit par osobine odvojeno, pa potom sastaviti te rezultate

korištenjem metode viljuške.

Slika 3. Trihibridno križanje

(http://www.rosyboas.to/GettingStarted/1-Design/genetics.htm)

3.6. Korelacija Mendelovih postulata sa formacijom hromozoma

Walter Sutton i Theodor Boveri su započeli hromozomalnu teoriju nasljeđa. U diploidnim

organizmima, u toku formacije gameta broj je tačno podjeljen (n) I kada se dva gameta spoje u

toku fertilizacije, nastane diploidan broj (2n). U toku mejoze hromozomski broj nije smanjen i

diploidni broj hromozoma se sastoji od homolognih parova identifikovanih prema njihovoj

morfološkoj pojavi i ponašanju. Gameti sadrže po jednog člana svakog para. Hromozom

dopunjava gamet, a specifičnost je u tome što je broj hromozoma u svakom gametu haploidan.

Jedinični faktori su ustvari geni locirani na homolognim parovima hromozoma (prva

mejotička profaza). Član svakog homolognog para se odvaja ili segregira u toku gamet

formacije. Jedan član svakog para je nastao od majke, a drugi od oca. Dva para homologa

podliježu segregaciji, neovisno u toku gamet formacije. Svaki gamet dobije jedan hromozom od

svakog para.

Zadaci

1. Objasniti Mendelove postulate?

2. Crna boja zamoraca je dominantno svojstvo, a bijela recesivno. Crni homozigotni zamorac

križan je s bijelim. Koliki dio crnih zamoraca iz F2 generacije će biti heterozigotni?

3. Heterozigotni crni zamorac križan je s homozigotnim bijelim. Navedite fenotipske

Iigenotipske omjere koje očekujete iz povratnog križanja crnih potomaka s:

a) crnim roditeljem;

b) bijelim roditeljem

4. Crna vuna/runo ovaca je određena recesivnim alelom b, bijela vuna/runo dominantnim alelom

B. Bijeli heterozigotni ovan križan je s bijelom heterozigotnom ovcom. Iz tog križanja dobiven je

bijeli ovan koji je povratno križan s ženskim roditeljem. Koja je vjerojatnost da potomstvo tog

križanja ima crnu vunu/runo?

5. U čovjeka albinizam uzrokuje recesivni alel a, dok je normalna pigmentacija pod kontrolom

dominantnog alela A. Roditelji normalne pigmentacije imaju albino dijete. Koja je vjerojatnost

da će:

a) sljedeće dijete biti albino?

b) slijedeća dva djeteta biti albino?

c) sljedeće troje djece imati normalnu pigmentaciju?

d) drugo dijete biti albino a treće normalne pigmentacije?

e) od sljedeće dvoje djece jedno biti albino, a drugo normalne pigmentacije?

7. Kod ljudi je plava boja očiju recesivno svojstvo. Žena smeđih očiju i muškarac plavih očiju

imaju plavooko dijete. Koja je vjerojatnost da će slijedeće troje djece imati plave oči?

8. Kod ljudi je plava boja očiju recesivno svojstvo. Žena smeđih očiju i muškarac plavih očiju

imaju plavooko dijete. Koja je vjerojatnost da će slijedeće troje djece biti plavooke kćeri?

9. Kovrčava kosa kod ljudi je recesivno svojstvo nad ravnom kosom. Koja je vjerojatnost da će

dvoje roditelja ravne kose imati kćer kovrčave kose?

10. Cistična fibroza je bolest uzrokovana recesivnom autosomalnom mutacijom. Ako su oba

(zdrava) roditelja nosioci mutiranog alela i imaju troje zdrave djece, koja je vjerojatnost da će

njihovo četvrto dijete imati cističnu fibrozu?

11. Mladi bračni par je posjetio specijalista za nasljedne bolesti (genetic counselor) zbog toga što

svaki od njih ima brata ili sestru koji su oboljeli od cistične fibroze (cistična fibroza je recesivna

bolest i niti jedan supružnik niti njihovi roditelji nemaju citsičnu fibrozu):

a) Koja je vjerojatnost da je žena nositelj bolesti?

b) Koje su šanse da njihovo dijete oboli od cistične fibroze?

c) Koja je vjerojatnost da će njihovo dijete biti nositelj mutacije koja uzrokuje cističnu fibrozu?

12. Riješite križanje homozigotnog mužjaka vinske mušice s tamnim tijelom (e) i homozigotne

ženke bez krila (a). Obje mutacije su autosomalne i recesivne. Koje omjere fenotipova i

genotipova očekujete u prvoj filijalnoj (F1) generaciji? Riješite križanje jedinki iz F1 generacije.

Koje omjere fenotipova i genotipova očekujete u tako nastaloj drugoj filijalnoj (F2) generaciji?