Geneetika eksami vastused (0)

Kordamisküsimused
1. Geneetika põhietapid
1.1. Eelteaduslik periood
Geneetika eelteaduslikule perioodile on iseloomulikud üksikud õiged ja objektiivsed tähelepanekud, mida varjutavad aga tol ajal massiliselt levinud spekulatsioonid ja filosoofilised targused.

• Hippokrates (V-IV saj. ema.) - lapsed arenevad algmetest, mis tekivad kogu kehas. Selle tõttu sarnanevad lapsed vanematele ja omandatud tunnused päritakse. Pärilikkust võivad mõjutada isegi mõtted. Seisukoht tuntud pangeneesi hüpoteesina. Darwin arendas seda omandatud tunnuste päritavuse põhjendamiseks (gemmulad).
  
• Demokritos (V-IV saj. ema.) - inimeste võimed arenevad peamiselt harjutamise, mitte kaasasündinud eelduste tõttu. Koos Empedokelesega preformatsiooniprintsiibi pooldaja ja propageerija.
  
• Pythagoras (V saj ema.) – isaslooma kehas (närvid, aju jne.) tekkiv fluidum koituse ajal kondenseerub emasloomas embrüoks. Alge ainult isaspoolne.
  
• Platon (V-IV saj. ema.) – kirjeldas “Poliitikas”, kuidas peaksid väärikad mehed endale naisi ja oma tütardele mehi valima , et sünniksid lapsed, kes saaksid kehaliselt ja kõlbeliselt tugevateks isiksusteks. Soovitas teadliku valikuprintsiibi rakendamist inimsoo õilistamiseks ( moderne eugeeniline seisukoht)
  
• Aristoteles (IV saj. ema.) postuleeris isas - ja emasseemne eri funktsioonide olemasolu. Kui emasseeme annab põhiliselt organismi arengu materjali, siis isasseeme arengulise aktiivsuse ja vormi. Kui isasseeme on tugevam, sünnib poeg, kes on sarnasem isale ja vastupidi. Epigeneetilise mõtlemise alused, ei pärandu mitte omadused vaid potensiaal nende tekkeks. Pangeneesi kriitik .
  
• William Harvey (1578-1657) pärandumine tänu magneetilistele jõududele. Sarnaselt raua võimele magnetiseeruda, magnetiseerub ka emakas koituse ajal omandades võime loote kasvatamiseks. Loote tekkeks vaja spermi ja munaraku ühinemist! (Ka von Liebig
  

1.2. Teadusliku geneetika läte: taimede hübriidimine

• 17./18. saj. Vahetusel leiti, et taimedel on sugu ning viljastamine eeldab tolmendamist. Avas võimaluse taimevormide hübriidimiseks kunstliku tolmeldamise abil. Ristamised uute taimesortide aretuse eesmärgil või liigi bioloogilise olemuse selgitamiseks. Suur osa hübriididest liikidevaheliseda. Nendest ristamistest saadud hübriidid olid tihti vähese viljakusega või viljatud.
  
• Hübriidimiskatsete vähene mõju pärilikkuse olemuse mõistmisele tulenes ka sellest, et pärilikkust kui iseseisvat bioloogilist probleemi polnud püstitatudki. Pärilikkus samastus indiviidi arenguga ( ontogenees ).
  

1.3. Üldlevinud seisukohad pärilikkuse kohta XIX sajandi teaduses
•Keskkonnatingimuste toimel või eluviisi mõjul tekkinud muutused indiviidi tunnustes päranduvad vähemal või rohkemal määral järglastele: omandatud tunnuste päritavuse hüpotees.
•Pärilikkuseaine või -tegurid (gemmulad) tekivad keha kõigi osade rakkudes ja kanduvad sealt vere või muude kehavedelike kaudu suguelunditesse: pangeneesi hüpotees.
•Hübridiseerimisel tekib uus hübriidne pärilikkuseaine (st vanemvormide pärilikkusetegurid segunevad), mis põhjustab uute vahepealsete tunnuste tekke: liit- e. segapärilikkuse hüpotees (blended inheritance).
•Isas- ja emasorganism on tunnuste ülekandel järglastele ebavõrdsed või vähemalt erinevad.
•Munaraku viljastamisel osaleb mitmeid seemnerakke; mida rohkem neid on, seda enam väljenduvad järglasel isapoolsed tunnused.
•Loomade ristamisel jäävad isasseemne pärilikud alged emase veres püsima ja mõjutavad hilisemate järglaste omadusi, kes on saadud paaritusest hoopis teiste isast ega: telegoonia (e. järelpärandumise) hüpotees.
1.4. Gregor Mendel (1822 - 1881)
* Analüütilise hübridoloogilise meetodi loomine.
* Täheliste sümbolite ja arvsuhete kasutuselevõtt.
* Diskreetsete ja püsivate (segunematute, mitteliituvate) pärilikkusetegurite avastamine (Mendel: vormiloovad elemendid; hiljem nim. geenideks).
* Geenide pärandumise ja kombineerumise peamiste seaduspärasuste avastamine (Mendeli seadused).
* Need avastused said hiljem korpuskulaarse pärilikkuseteooria e. geeniteooria tuumaks.
1.5. Francis Galton (1822 - 1911)
Ta lõi inimgeneetika alused. Eugeenika rajaja. On kvantitatiivsete (pideva muutlikusega) tunnuste päritavuse (“nature and nurture” vahekorra) uurimise meetodite ja biomeetrilise geneetika looja. Esimesi psühhogeneetikuid. Kvantitatiivse statistika edasiarendaja ja kaksikute meetodi looja. Propageeris kunstliku valikut inimpopulatsioonides pärilike väärtuste säilitamise ja parandamise eesmärgil.
1.6. Geneetika sünd
1870-90ndatel aastatel arenes mikroskoopia ja histotehnika täiustamise tõttu suurte hüpetega tsütoloogia. Avastati kromosoomid , kirjeldati rakujagunemise protsesse mitoosil ja meioosil. Nende ja mõnede muude avastuste, nii eksperimentaalsete kui ka teoreetiliste arenduste baasil hakkasid juurduma uued kujutlused organismide individuaalsest arengust ja pärilikkusest. Geneetika arengu suhtes oli neist uutest seisukohtadest tähtsaim A. Weismanni teooria.
Tema tähtsaim teooria käsitleb idu- ja somatoplasma eristamist. Iduplasma (sugurakkude kromosoomides paiknev) on põlvkonniti pidev (aga muutumis - ja evolutsioneerumisvõimeline). Keharakkude somatoplasma areneb indiviidi arengus iduplasma juhtsignaalide ja keskkonnateguritr toimel, kuid ei mõjuta iduplasmat. See käsitlus on mendelliku geneetika mõistes esimesi genotüübi ja fenotüübi lahutamisi.
1.7.Eugeenika (õpetuse inimese tõupuhtusest)
Galton määratles eugeenikat kui teadust kõigist mõjudest ja tingimustest, mis määravad populatsiooni vaimseid ja kehalisi kvaliteete tulevastes põlvkondades. Selle eesmärk on kindlustada iga rass , klass või sekt kehaliselt ja moraalselt parimate ja vaimselt võimekamate esindajatega.
Garveri (1991) poolt moderne eugeenika definitsioon: Eugeenika on teadus, mis tegeleb kõikide mõjudega, mis aitavad kaasa inimrassi parandamisele pöörates erilist tähelepanu kaasasündinud faktorite kontrollile

negatiivne eugeenika - pärilike defektidega või ebasoovitavaid tunnuseid kandvatele isenditele keelatakse järglaste saamine;

positiivne eugeenika - soovitavate tunnustega vanematel soodustatakse järglaste saamist.
2. Mendelism : pärilikkuse üldprintsiibid
2.1. Monohübriidne ristamine : dominantsuse ja lahknemise printsiip
Mendeli I seadus: monohübriidsel ristamisel annavad homosügootsed vanemad vaid heterosügootseid järglasi, kes on genotüübilt identsed (samased) ja fenotüübilt ühtlikud (ühesugused).
Mendeli II seadus: heterosügootsete F1-isendite ristamisel toimub F2-põlvkonnas iga geeni alleelide lahkemine ning moodustuvad vanemvormide tunnustega järglased kindlates lahknemissuhetes.
Dominantsuse printsiip - heterosügootides esineb üks alleelidest varjatud kujul.
Segregeerumise printsiip - kaks erinevat alleeli lahk nevad heterosügootide gameetide moodustumisel.
2.2. Dihübriidne ristamine: sõltumatu lahknemise seadus e. vaba kombineerumise seadus
Põhinedes dihübriidsele ristamise analüüsile defineeris Mendel kolmanda seaduse: Erinevad allelipaarid segregeeruvad ja kombineeruvad üksteisest sõltumatult.
2.3 Mendeli seaduste kasutamine inimese geneetikas
Meetod ennustamaks trihübriidse ristamise tulemusi (sõltumatult lahknevad tunnused)
Tõenäosusmeetod kasutades Punnetti ruutu
Mendelistlikud meetodite rakendus inimgeneetikas
2.3 Monogeense päritavuse tunnused

• Autosomaalne dominantne: Haige isik omab harilikult vähemalt ühte haiget vanemat. Esineb võrdselt mõlemal sugupoolel. Kantakse edasi mõlema soo poolt. Haige ja terve inimese järeltulijal on 50% võimalus olla terve
  
• Autosomaalne retsessiivne : Haiged isikud sünnivad tavaliselt tervete vanemate lastena . Vanemad on tavaliselt asümptomaatilised kandjad . Vanemad on tihti lähisugulased. Esinev võrdselt mõlemal sugupoolel. Pärast haiget last on võimalus järgnevatel sündida tervetena 25%
  
• X liiteline retsessiivne päritavus: Haiged on pea alati mehed, ülekanne mehelt-mehele puudub. Nende vanemad on tavaliselt terved ja ema haiguse kandja. Naised võivad haigestuda juhul kui isa on haige ning ema kandja või mittejuhusliku X kromosoomi inaktivastiooni tõttu
  
• X liiteline dominantne: Haige naise laps on 50% tõenäosusega terve. Haige mehe tütred, mitte pojad on kõik haiged. Haiged on mõlemast soost
  
• Y liiteline: Haiged on ainult mehed. Omavad alati haiget isa
  

3. Mendelismi edasiarendus
3.1. Alleelne varieeruvus ja geeni funktsioon
Semidominantsus ja kodominantsus ; mitmene allelism e. polüallelism; alleelide seeriad ; mutatsioonide testimine alleelsuse määramiseks; mutatsioonide toime organismile.
Geenide fenotüübilist avaldumist mõjutavad tegurid: keskkonna mõju geenide avaldumisele; penetranstsus ja ekspressiivsus. Geenidevahelise vastastikuse toime tüübid: epistaas ; pleiotroopsus; pidev fenotüübiline varieeruvus.
3.2. Semidominantsus ja kodominantsus

• Mõnel juhul on heterosügootide (Aa) fenotüüp homosügootide (AA) fenotüübist erinev. Osaliselt dominantset alleeli, mis avaldub heterosügootides nõrgemini, nimetatakse semidominantseks alleeliks. (fenotüübilisi erinevusi saab seletada, näiteks geeniprodukti hulga kvantitatiivse erinevusega)
  
• Juhul kui heterosügootides avalduvad mõlemad tunnused, dominantsus puudub. Sel juhul nimetatakse alleele kodominantseteks. Näiteks on inimese LM veregrupid . Kodominantsuse puhul avalduvad alleelid teineteisest sõltumatult. (kodominantsuse puhul ekspresseeruvad mõlemad alleelid sõltumatult)
  
• 
  

3.3. Mitmealleelsus (polüalleelsus)
Geen võib esineda rohkem kui kahe erisuguse alleelina. (Mitmese allelismi klassikaliseks näiteks on küülikute karva värtust kontrollivate geenide alleelid).
3.4. Alleelide seeriad
Erinevate alleelide kombineerumisel võivad nad omada erinevat efekti sõltuvalt sellest, millised alleelid on kombineerunud. Erinevad alleelide kombinatsioonid heterosügootidel viivad erinevatele fenotüüpidele. Alleelide seeriates nimetatakse mittefunktsionaalseid alleele nulle. amorfsed alleelid. Osaliselt funktsionaalsed alleelid on hüpomorfsed, nad on retsessiivsed nende alleelide suhtes, mille funktsioon neid varjutab (tavaliselt metsiktüüpi alleel ).
3.5. Mutatsioonide toime
Geeni muutused ( mutatsioonid ) võivad põhjustada sarnaste fenotüüpide teket. Teisalt võivad ka erinevate geenide mutatsioonid anda ühesuguseid fenotüübilisi tunnuseid. Sageli esinevad sellised olukorrad geenides, mis määravad pigmente moodustavate metaboolsete ahelate toimimist.
3.6. Mis määrab dominantsuse ja retsessiivsuse?
Retsessiivsete mutatsioonide tagajärjel kaotab geen (tihti) oma funktsiooni (mõlemad alleelid on defektsed). Viib selleni, et vastavat polüpeptiidi enam ei sünteesita või on sünteesitud polüpeptiid funktsioon muutunud või kadunud.
Dominantse mutatsiooni puhul sünteesitakse polüpeptiid, mis käitub võrreldes algse polüpeptiidiga teisiti. Seetõttu nimetatakse dominantseid mutatsioone sisaldavaid alleele neomorfseteks (uue funktsiooni omandanud alleelideks ).
3.7. Geenide fenotüübilist avaldumist mõjutavad tegurid
Fenotüüp = Genotüüp x Keskkond
3.8. Keskkonna mõju geenide avaldumisele
Mõnede erinevate allelide produktidel ( Drosophila mutatsioon shibire) esineb erinev temperatuuritundlikkus (29° letaalne ). Fenotüübi avaldumine võib sõltuda dieedist, niiskusastmest, soost jne.
Väga vähesed tunnused tulenevad ainult mendellikust või polügeensest päritavusest ning keskkonnamõjudes
3.9. Penetrantsus ja ekspressiivsus

• Penetrantsus on sagedus protsentides, millega mingi konkreetne genotüüp avaldub kandja fenotüübis (polüdaktüülia). Kuigi mutatsioon on dominantne, ei avaldu efekt kõikidel heterosügootidel. Penetrantsuse mõistet kasutatakse kindla dominantse alleeli avaldumissageduse hinnanguna heterosügootide hulgas. Penetrantsus sõltub nii indiviidi geneetilisest taustast kui ka elukeskkonnast. Paljud tunnused on ebatäieliku penetrantsusega.
  
• Ekspressiivsuse kaudu kirjeldatakse geeni fenotüübilise avaldumise taset. Konkreetne geen võib erinevates indiviidides avalduda erineval tasemel. Nii mittetäieliku penetrantsuse kui ka erineva ekspressiivsuse põhjusteks erinevates indiviidides on tunnuste kompleksus, mingi konkreetne fenotüüp on seotud mitme eri geeni avaldumise ja koostoimega.
  

3.10. Geenidevaheline interaktsioon
Bateson ja Punnett näitasid katseliselt, kuidas 2 erinevat geeni kontrollivad sama tunnust, näiteks geenid R ja P harjakuju kanadel. Wyandottidel (RR pp) on roosikujuline hari, brahmadel (rr PP) aga hernekujuline. F1 hübriidsetel tibudel (Rr Pp) on pähklikujuline hari. Kui neid hübriide ristata omavahel, toimub harjakujus lahknemine 9/19 pähklikujulised (R- P-) , 3/16 roosikujulised (R-pp), 3/16 hernekujulised (rr P-) ning 1/16 harilikud (rr pp). Hariliku harjaga leghornid on mõlema retsessiivse alleeli suhtes homosügootsed.
3.11. Epistaas
Epistaas on ühe geeni mahasuruv toime teise geeni avaldumise suhtes. Allasurutavaid geene nimatatakse hüpostaatilisteks. Geenide epistaatilise toime geneetilised mehhanismid võivad olla aga täiesti erinevad. Geenide epistaatilisel toimel esineb koostoime vähemalt kahe geeni vahel (kolm erisugust lahknemissuhet: 9 : 7; 15 : 1 ja 12 : 3 : 1.
Epistaatiline geen surub maha hüpostaatilise geeni toime.
3.12. Pleiotroopsus
Kui geen mõjutab mitme teise geeni avaldumist, siis nimetatakse seda geeni pliotroopseks.
Geen on pleiotroopne , kui ta osaleb mitme fenotüübilise tunnuse avaldumisel.
4. Kromosoomid kui pärilikkuse kandjad
4.1. Sugukromosoomid (X ja Y)
Sugukromosoomide arv võib liigiti varieeruda. Rohutirtsudel on emastel üks sugukromosoom rohkem kui isastel: emastel on kaks X kromosoomi ning isastel üks. Seega on emased tsütoloogiliselt XX ning isased X0 (0 tähistab kromosoomi puudumist). Emaslooma rakkude meiootilise pooldumise käigus X kromosoomid paarduvad (konjugeeruvad) ja seejärel lahknevad ning kõigisse sugurakkudesse jääb üks X kromosoom . Isaslooma organismis jäävad aga pooled seemnerakud ilma X kromosoomita. Munaraku viljastamisel moodustuv sügoot sisaldab seega kas üks või kaks X kromosoomi, andes aluse kas isaste või emaste tirtsude arenguks.
Inimese Y kromosoom on X kromosoomist morfoloogiliselt eristatav : ta on tunduvalt lühem ning Y kromosoomi tsentromeer paikneb ühe kromosoomi otsa lähedal. Ühist geneetilist materjali on X ja Y kromosoomil vähe.
4.2. Meioos ja mitoos
Raku jagunemine mitoosi teel
Eukarüootne rakk võib jaguneda nii mitoosi kui ka meioosi teel. Mitoosi teel jagunenud tütarrakud on emarakuga geneetiliselt identsed. Nii emarakk kui ka tütarrakud on diploidsed (2n), mis tähendab seda, et iga kromosoomitüüp on esindatud kahes korduses, homoloogiliste kromosoomide paaridena . Rakkude meioosi teel jagunemisel moodustuvad sugurakud , mis on oma kromosoomselt koostiselt haploidsed (n), sisaldades kõigist homoloogiliste kromosoomide paaridest ainult ühte kromosoomi.
Interfaas hõlmab kõik rakutsükli faasid , mis jäävad raku jagunemisfaaside vahele (faasid G1, S ja G2). Raku jagunemisel eristatakse nelja faasi – profaas , metafaas , anafaas ja telofaas . Igale faasile on iseloomulik teatav kromosoomide struktuur ja “käitumine”. Profaas ja telofaas on teistest pikemad. Esimesed märgid varsti algavast mitoosist on jälgitavad interfaasi rakkude tsütoplasmas paikneva tsentrosoomi duplitseerumise näol. Tsentrosoomi külge kinnituvad mitoosi ajal mikrotuubulitest moodustunud kääviniidid, mis veavad tütarkromatiidid jaguneva raku vastaspoolustele.
Varajane profaas algab siis, kui duplitseerunud tsentrosoomid liiguvad raku vastaspoolte suunas. Nende vahele moodustuvad mikrotuubulitest kiud (mitoosikääv). Kromosoomid on veel väljavenitatud, kuid algab nende kondenseerumine ja muutumine diskreetseteks ühikuteks. Hilises profaasis on kromosoomid kõrgelt kondenseerunud. Iga kromosoomi kaks tütarkromatiidi on tsentromeeride kaudu ühendatud. Tsentromeeridega kompleksseeruvad kinetohoorid, mille külge kinnituvad hiljem kromosoomide liikumises osalevad mikrotuubulid. Tsentrosoomid on nüüd liikunud raku vastaspoolustele. Tuumamembraan fragmenteerub ja kaob ning toimub mikrotuubulite kinnitumine tsentromeeridele.
Metafaasis jäävad kondenseerunud tütarkromatiidide paarid kokku ning jaotuvad raku pooluste vahele jäävale ekvatoriaaltasapinnale. Metafaasi kromosoomid on tsütoloogiliselt kõige paremini jälgitavad. Igal kromosoomil on temale ainuomane struktuur. Metafaasi kromosoomide analüüsil on võimalik tuvastada kromosoomide kahjustusi ning muutusi kromosoomide arvus. Selliste muutuste kirjeldamine aitab diagnoosida kromosoomidefektidest põhjustatud haigusi.
Anafaasis eralduvad tütarkromatiidide tsentromeerid ning tütarkromatiidid liiguvad raku vastaspoolustele. Nende liikumine toimub mikrotuubulite lühenemise tulemusena. Iga kromatiidi võib nüüd käsitleda iseseisva kromosoomina. Anafaasi kromosoomid on võrreldes metafaaasi kromosoomidega mõnevõrra pikenenud.
Telofaasis on kromosoomid liikumise lõpetanud ja mikrotuubulid jaotuvad laiali. Raku vastaspoolustele liikunud kromosoomide ümber tekib tuumamembraan. Kromosoomid dekondenseeruvad. Seejärel toimub tsütokinees ja rakk jaguneb pooleks. Loomarakkudel toimub see rakumembraani sissesoondumise teel,
taimerakkudel moodustub tütarrakkude vahele tselluloosi sisaldav rakuplaat, mille pooled teineteisest eemale tõukuvad.
Sõltuvalt organismist ja rakkude keskkonnast võib mitoos kesta mõnest tunnist mitme päevani.
Raku jagunemine meioosi teel
Meioosis toimub kaks rakujagunemist. Esimene jagunemine (meioos I) on komplekssem ning seda nimetatakse ka redutseerivaks jagunemiseks ( reduction division). Selle jagunemise käigus homoloogilised kromosoomid paarduvad (konjugeeruvad) omavahel ning lahknevad seejärel juhuslikkuse alusel tütarrakkudese. Meioosi teisel jagunemisel (meioos II), mida nimetatakse ka võrdväärseks jagunemiseks (equational division) jaotuvad tütarrakkudesse tütarkromatiidid nii, nagu see toimub ka mitoosis.
Esimeses meioosis toimub homoloogiliste kromosoomide juhuslik lahknemine tütarrakkudesse. Inimesel on 23 paari kromosoome. Geneetilist muutlikkust aitab suurendada meioosi esimeses profaasis toimuv geneetiline rekombinatsioon ( ristsiire ) homoloogiliste kromosoomide kromatiidide vahel.
4.3 Oogenees ja spermatogenees
Gameetide moodustumine erinevatel organismidel
Haploidsete rakkude tekkimist meioosi teel ning nende küpsemist funktsionaalseteks sugurakkudeks (gameetideks) nimetatakse gametogeneesiks.
Munarakkude moodustumine oogeneesi teel
Embrüonaalse arengu varajases staadiumis diferentseeruvad rakud erinevateks tüüpideks, millest ühe tüübi puhul moodustuvad hiljem meioosi teel sugurakud. Oogeneesis tekib kahe meioosi teel jagunemise tulemusena ainult üks küps munarakk . Algul korduvalt mitoosi teel jagunenud rakkudest arenevad primaarsed ootsüüdid. Meioosi esimesel jagunemisel pooldub rakk ebavõrdselt: enamus tsütoplasmast satub sekundaarsesse ootsüüti ning teine tütarrakk, mida nimetatakse esimeseks polaarkehaks, on oluliselt väiksem ning hävib hiljem. Sekundaarse ootsüüdi jagunemisel teise meioosi käigus on tsütoplasma jaotumine jällegi ebavõrdne - tekib munarakk, mis sisaldab enamuse tütoplasmast ning väike polaarkeha .
Kui munarakk naisel ei viljastu , ta degenereerub.
Inimese oogenees algab varases embrüonaalses arengus ja jätkub tsükliliselt alates puberteedieast.
Spermatogenees
Kui munarakud on organismi kõige suuremad rakud, siis seemnerakud vastupidi on kõige väiksemad. Suuruse erinevus on tingitud nende rakkude erinevatest funktsioonidest. Munarakk on suhteliselt liikumatu ning sisaldab hulgaliselt varuaineid, mis on vajalikud embrüo varajaseks arenguks. Seemnerakk on see-eest väga liikuv ning koosneb peamiselt haploidsest tuumast ja sabast. Puuduvad endoplasmaatiline retiikulum , Golgi aparaat ja ribosoomid . Vähesed mitokondrid on kogunenud sabasse, kus nad toodavad energiat saba liikumiseks. Seemneraku peas on lisaks tuumale vesiikulid, mis sisaldavad ensüüme, mis aitavad seemnerakul läbida munaraku seina.
Spermatogenees algab meestel puberteedieas ning toimub seejärel pidevalt. Meioosieelsed rakud jagunevad mitoosi teel kuni diferentseeruvad primaarseteks spermatotsüütideks. Primaarsed spermatotsüüdid läbivad esimese meioosi, mille tulemusena moodustuvad sekundaarsed spermatotsüüdid. Pärast teist meiootilist jagunemist on igast primaarsest spermatotsüüdist moodustunud neli haploidset spermatiidi.
Spermatiidid diferentseeruvad küpseteks seemnerakkudeks spermatozoidideks. Arenevad seemnerakud jäävad meioosi käigus üksteisega tsütoplasma sildade kaudu ühendatuks seni, kuni neist arenevad spermatozoidid. Spermatogeneesi käigus kaotavad rakud tsütoplasmat.
Munaraku viljastamisel seondub seemneraku pea munarakku ümbritseva kestaga, mida nimetatakse zona pellucida. See kest sisaldab erinevaid glükoproteiine, mis seonduvad seemnerakuga spetsiifiliselt, eristades sama liigi seemnerakke võõraste liikide seemnerakkudest. Kui seemnerakk on seondunud, vabanevad vesiikulitest ensüümid, mis aitavad tal munaraku kesta läbida ning soodustavad rakkude membraanide ühinemist. Kohe pärast membraanide ühinemist vabanevad munaraku membraani sisepinnal asunud kortikaalgraanulitest mitmesugused ensüümid ja muud molekulid, mis muudavad zona pellucida struktuuri, et takistada järgmiste seemnerakkude tungimist rakku.
Inimese spermatogenees algab puberteedieas ja toimub edaspidi pidevalt kõrge vanadusenik
4.4 Rakutsükkel
•Rakutsükkel on sündmuste jada, mis sisaldab DNA replikatsiooni ja replitseerunud DNA jaotumist
tütarrakkude vahel.
• Üleminek faasist faasi on kontrollitud protsess.
• Signaale võtavad vastu tsükliinid ja tsükliinidest sõltuvad kinaasid (CDK), mis fosforüleerivad omakorda teisi valke
• Esinevad kontrollpunktid,tähtsaim START G1 keske
4.5. Pärilikkuse kromosoomiteooria
Pärilikkuse kromosoomiteooria loodi algselt äädikakärbse (Drosophila melanogaster) juures avastatud pärandumisiseärasuste alusel: need olid kaks nähtust, mis põhjustasid kõrvalekaldeid Mendeli seadustest -- suguliiteline pärandumine ja geenide aheldus. Hiljem andis olulisi täiendusi ja kinnitusi sellele teooriale kahetiivaliste putukate süljenäärmerakkude hiid- e polüteensete kromosoomide uurimine .
4.6. Mendeli seadused lähtudes kromosoomiteooriast
Lahknemisseadus
Raku esimese meiootilise jagunemise käigus homoloogilised kromosoomid paarduvad. Üks homoloog on
pärit emalt, teine isalt. Kui ema on homosügootne alleeli A suhtes ja isa sama geeni alleeli a suhtes, on
järglaskond Aa. Anafaasis, pärast esimest meiootilist jaotumist liiguvad Aa heterosügootide kromosoomid,
mis sisaldavad alleele A ja a, raku erinevatele poolustele ning satuvad tütarrakkudesse
Sõltumatuse seadus e. sõltumatu lahknemisseadus
4.7. Suguliitelised geenid inimesel
X-liitelised retsessiivsed alleelid on märksa kergemini tuvastatavad kui retessiivsed autosoomsed alleelid.
Hemofiilia
Hemofiiliat põhjustab X-liiteline mutatsioon, mille kandjatel ei sünteesita vere hüübimiseks vajalikku faktorit . Ilma terapeutilise vahelesegamise võib hemofiilikutel ka tühisem haav põhjustada verest tühjaks jooksmist. Peaaegu kõik selle puudega indiviidid on mehed. Hemofiilia juhtumeid esines ka Venemaa tsaari Nikolai II perekonnas. Tal oli 4 tütart ja üks poeg. Poeg Aleksei kannatas hemofiilia all, olles saanud vastava alleeli oma emalt, kes oli heterosügoot. Tsaarinna Aleksandra oli Inglismaa kuninganna Victoria tütretütar ning ka Victoria ise oli hemofiilia alleeli kandja.
Värvipimedus
Inimesel on värvuse tajumine vahendatud kolme valgust neelava valgu poolt – üks neist neelab sinist valgust, teine rohelist ja kolmas punast. Ükskõik, milline neist valkudest on defektne, tagajärjeks on värvipimedus. Kõige klassikalisem värvipimeduse näide on võimetus eristada rohelist ja punast värvust. Neid värve ei suuda eristada ligikaudu 10-15% meestest ning alla 1% naistest. X kromosoomis on leitud 2 geeni, millest üks kodeerib rohelise valguse retseptorit, teine punase valguse retseptorit. Sinise valguse retseptorit kodeeriv geen on autosoomis.
Fragiilne X
Paljud vaimse alaarenguga nähud on seotud muutustega X-liitelistes geenides. Fragiilse X-i sündroom avaldub lastel sagedusega 1:2000. Fragiilne X on X-liiteline dominantne kahjustus mittetäieliku penetrantsusega. Puuetega (vaimse alaarenguga) on heterosügootsed naised ja hemisügootsed mehed. On ka üksikuid erandeid , kus sümptomid ei avaldu. Haigust põhjustab geeniga FMR1 külgneva DNA järjestuse CGG kordistumine X kromosoomi otsa lähedal. Kui normaalses kromosoomis on 5-60 CGG kordust, siis mutantses kromosoomis on seda kordust DNA replikatsiooni tagajärjel kuni 1000 koopiat , mis mõjutab kordusega külgnevate geenide avaldumist. Fragiilse X-i sündroomi põhjustav mutatsioon on metafaasi kromosoomidel tsütoloogiliselt jälgitav. Tundub, nagu oleksid kromosoomi otsad murdumas.
Y kromosoomi- spetsiifilised geenid.
Teatakse ainult väheseid. Üks neist kodeerib H-Y antigeeni. On teada ka geen, mis kodeerib testiste arenguks ning mehe seksuaalsete tunnuste väljakujunemiseks vajalikku faktorit TDF. Geenid, mis paiknevad mõlemas sugukromosoomis. Mõned geenid on olemas nii X kui ka Y kromosoomis, paiknedes enamasti lühikese õla otsa lähedal. Nende geenide poolt kodeeritud tunnused päranduvad järglastele samal viisil nagu autosoomsete geenide poolt kodeeritud tunnused. Sellepärast nimetatakse neid geene ka pseudoautosoomseteks geenideks.
4.8. Soo määramine inimesel
Erinevalt äädikakärbsest määrab inimesel ja teistel imetajatel soo Y kromosoomi olemasolu. X0 indiviidid on naissoost ja XXY indiviidid meessoost. Y kromosoomis paiknev geen SRY kodeerib faktorit TDF (testis-determining factor ).Selle geeni homoloog on leitud ka hiirel.TDF on regulaatorvalk, mis seondub DNA-ga, kontrollides nii teiste geenide avaldumist, mis on vajalikud testiste arenemiseks . Pärast testiste formeerumist kutsub testosterooni sekretsioon esile meessoole iseloomulike tunnuste väljakujunemise. Testosteroon on hormoon , mis seondub paljude rakutüüpide retseptoritele. Juhul, kui testosterooni signaalsüsteem on
häiritud, need tunnused ei ilmne ning arenevad välja hoopis naissoole iseloomulikud tunnused. Vastavat südroomi nimetatakse testikulaarseks feminisatsiooniks.
4.9. Soomääramine teistel loomadel
Kui isasloomal on kaks erinevat sugukromosoomi, X ja Y, nimetatakse tema sugu ka heterogameetseks. Emased, kes kannavad kahte X kromosoomi, on homogameetsed. Lindudel, liblikatel ja ka mõnedel roomajatel on olukord vastupidine : isased on homogameetsed (ZZ) ja emased heterogameetsed (ZW).
Mesilastel on sugu määratud ploidsusega e. kordsusega. Diploidsed embrüod, mis arenevad viljastatud munarakust, arenevad emasteks, haploidsed embrüod, mis pärinevad viljastamata munarakkudest, aga isasteks. Vastse toitmisest sõltub, kas emane valmik saab olema viljakas (emamesilane) või steriilne (töömesilane). Et haploidsuse-diploidsuse süsteem jääks kehtima ka järglaskonnas, toimub munarakkude valmimine läbi meioosiprotsessi, seemnerakkude valmimine aga mitootilise jagunemise teel.
4.10. X-liiteliste geenide doosi kompensatsioon
Drosophila X-liiteliste geenide hüperaktivatsioon isastel
Juhul, kui geeni Sxl produkti rakus pole (isased), seondub teatav valkkompleks paljudesse kohtadesse X-kromosoomil ja võimendab X-liiteliste geenide avaldumise taset kaks korda. Kui rakus on ka Sxl geeni produkti piisavalt, takistab see valkkompleksi seondumist ja seega ka geenide aktiivsuse tõusu.
X-liiteliste geenide inaktivatsioon imetajatel
Emastel on üks X kromosoomidest rakkudes inaktiivses olekus. Valik on juhuslik – osadel juhtudel on inaktiivne isalt päritud X, osadel aga emalt saadud X kromosoom. Seega sisaldavad nad võrdsel hulgal mõlemat tüüpi rakke, olles seetõttu X kromosoomi suhtes geneetilised mosaiigid. Emasloom , kes on heterosügootne X-liitelise geeni suhtes, võid omada samaaegselt kahte erinevat fenotüüpi. Näiteks kassidel ja hiirtel avaldub fenotüübiline mosaiiksus karva pigmentatsioonis. Kassidel kodeerib üks alleel tumedat pigmenti ning teine alleel oranzhi pigmenti. Heterosügootsed emakassid on laigulised, kilpkonna värvi.
X kromosoomi pikas õlas on piirkond, millest geenide inaktivatsioon levib mõlemas suunas. Vastavat initsiaatorkohta nimetatakse X-inaktivatsiooni keskuseks XIC (X-inactivation center). See keskus on väga lähedal geenile XIST, millel arvatakse olevat oluline roll inaktivatsiooni protsesis. Inaktiveeritud X kromosoom erineb teistest kromosoomidest, kuna inaktiivse X kromosoomi DNA on tugevalt keemiliselt
modifitseeritud , metüleeritud. Lisaks on ta tugevamalt kondenseerunud, moodustades intensiivselt värvuvaid Barri kehakesi (nimetatud tsütoloogi Murray Barr järgi, kes need kehakesed esmakordselt tsütoloogiliselt tuvastas). Barri kehake kinnitub tuumamembraani sisepinnale ning tema replikatsioon ei ole teiste
kromosoomidega sünkroonne. Sugurakke tootvates kudedes on ta reaktiveeritud, sest oogeneesis on vajalik, et mõnede X-liiteliste geenide mõlemad geenikoopiad oleksid aktiivsed.
5. Eerinevused kromosoomide arvus ja struktuuris
5.1. Kromosoomide uurimise tsütoloogilised meetodid
Kromosoomide arvu ja struktuuri on võimalik uurida, värvides jagunevaid rakke teatavate värvidega ning vaadeldes värvunud kromosoome mikroskoobis. Vastavat teadusala, mis sellega tegeleb, nimetatakse tsütogeneetikaks. Kaasajal on tsütogeneetikal oluline rakenduslik väärtus meditsiinis. Tänu tsütogeneetikas kasutatavatele meetoditele on võimalik diagnoosida haigusi, mis on seotud kromosoomianomaaliatega.
Mitoosikromosoomide analüüs
Inimese karüotüüp
Meioosikromosoomide analüüs
Tsütogeneetiline varieeruvus
5.2. Inimese karüotüüp
Inimesel on 46 kromosoomi: 44 autosoomi ja 2 sugukromosoomi. Autosoome tähistatakse suuruse alanevas järjekorras, numbritega 1 – 22. Kõige suurem on 1. kromosoom ja kõige väiksem 21. kromosoom (ajaloolistel põhjustel on teine peaaegu sama väike autosoom tähistatud number 22-ga). X kromosoom on vahepealse suurusega ning Y kromosoom umbes sama suur kui 22. kromosoom.
Indiviidi kromosoomistiku tunnustekogumit, mida iseloomustab kromosoomide arv, suurus, tsentromeeri asukohast olenev kuju ja värvimuster (vöödilisus) nimetatakse karüotüübiks. Indiviidi karüotüübi uurimiseks kasutatavat kromosoomistiku süstematiseeritud fotokujutist ühe raku metafaasikromosoomidest, kus kromosoomipaarid on reastatud ja rühmitatud suuruse, kuju ja vöödimustri järgi, nimetatakse karüogrammiks. Suuruse ja kuju alusel jaotatakse inimese autosoomid 7-sse rühma A – G (A - suured metatsentrikud (tsentromeer on kromosoomi keskel); B - suured submetatsentrikud; C - keskmised submetatsentrikud; D - suured akrotsentrikud (tsentromeer ühes kromosoomi otsas); E - väikesed submetatsentrikud; F - väikesed metatsentrikud; G - väikesed akrotsentrikud. Kromosoomi lühemat õlga tähistatakse tähega p (prantsusekeelsest sõnast petite tähendusega “väike”) ning pikemat õlga tähega q (järgneb tähestikus p-le). Nii on 5-nda kromosoomi väike õlg tsütogeneetikute kirjapildis 5p.
5.3. Tsütogeneetiline varieeruvus
Samatüübiliste e. homoloogiliste kromosoomide kordsust indiviidi või raku kromosoomistikus nimetatakse ploidsuseks. Ploidsust kirjeldatakse kromosoomide basaalarvu n (kromosoomide arv ühes kromosoomikomplektis) kaudu. Diploidsetes rakkudes on 2 kromosoomikomplekti, seega 2n kromosoomi, triploidsetes 3, seega 3n, jne. Organisme, mis sisaldavad täielikku, normaalset kromosoomikomplekti, nimetatakse euploidseteks, vastandina aneuploidsetele organismidele, kus mõni kromosoom komplektist on üle- või alaesindatud. Polüploidsed on organismid, mille rakud sisaldavad lisaks normaalsele kromosoomide arvule ühte või mitut lisakromosoomikomplekti.
5.4. Polüploidsus
Võrreldes loomadega on polüploidsus enam levinud taimede puhul, kuna paljud taimed on võimelised paljunema mitteseksuaalsel teel, vegetatiivselt. Loomadel, kes üldjuhul paljunevad seksuaalsel teel, on polüploidsus harv, sest see takistaks soomääramise mehhanismi toimimist. Polüploidide rakud on suuremad, sageli kajastub see ka organismi enda suuremas kasvus. Sellised taimed produtseerivad suuremaid seemneid ja vilju ning on suuremate õitega, mis on eriti soodne toiduks kasutatavate taimede ja ilutaimede puhul.
Steriilne polüploidsus
Viljakad polüploidid
5.5. Koe-spetsiifiline polüploidsus ja polüteenia
Mõnede organismide puhul muutuvad mõned koed arengu käigus polüploidseteks, kusjuures ülejäänud jäävad diploidseteks. Polüploidsus kujuneb vastuseks vajadusele suurendada geenikoopia arvu raku kohta. Vastavat protsessi nimetatakse endomitoosiks, sest see sisaldab rakusisest kromosoomide duplitseerumist ja tütarkromatiidide lahknemist, kuid ei toimu raku pooldumist. Inimesel leidub endomitoosi teel moodustunud tetraploidseid rakke maksas ja neerus.
Polüploidiseerumine võib toimuda ka sel viisil, et tütarkromatiidid ei eraldu. Nii moodustuvad polüteenkromosoomid, mis võivad koosneda paljudest paralleelselt kulgevatest kromosoomi replikatsiooniproduktidest. Kõige silmatorkavamad polüteenkromosoomid on kirjeldatud Drosophila vastsete süljenäärmetes. Iga kromosoom replitseerub 9 tsüklit, mille tagajärjel tekib 500 koopiat. Kõik koopiad paarduvad omavahel ning mikroskoopiliselt on polüteenkromosoomid jälgitavad jämedate kimpudena juba väikese suurendusega. Kromatiini kondenseerumisaste on polüteenkromosoomide erinevates piirkondades erinev. Seetõttu tulevad värvimisel nähtavale heledad ja tumedad vöödid, võimaldades analüüsida kromosoomi struktuuri.
Polüteenkromosoomidel on kaks iseloomulikku omadust:
1. Homoloogilised polüteenkromosoomid paarduvad ka somaatilistes rakkudes. Paardumine on täpne, mistõttu igale kromosoomile iseloomulikud vöödid on veelgi paremini jälgitavad.
2. Polüteenkromosoomide tsentromeerid moodustavad tugevalt värvuva struktuuri, mida nimetatakse kromotsentriks. Kromotsentriga külgnev ala värvub samuti tugevalt. Kromosoomi õlad, mis on vöödilised, koosnevad eukromatiinist, kus paikneb enamus geenidest . Tugevalt värvunud ala kosneb heterokromatiinist, milles on väga vähe geene.
5.6. Aneuploidsus
Aneuploidsus kirjeldab olukorda, kus üksik kromosoom on võrreldes ülejäänutega erineva kordsusega. Isendid, kes sisaldavad lisakromosoomi või kellel teatav kromosoom puudub, on aneuploidid. Aneuploidsusest räägitakse ka siis, kui puudub või on kordsuses osa kromosoomist, näiteks kromosoomi õlg. Need organismid, kellel teatav kromosoom või osa kromosoomist on alaesindatud, on hüpoploidid, kui aga üleesindatud, siis hüperploidid. Teatava kromosoomi kolmekordistumisel on tegemist trisoomiaga. Aneuploidsus annab tugeva fenotüübilise efekti.
5.7. Trisoomiad inimesel
Enimtuntud anomaalia inimesel on 21. kromosoomi trisoomia , mis põhjustab Downi sündroomi. Teadmata midagi veel kromosoomidest, kirjeldas seda sündroomi esmalt möödunud sajandi keskpaigas Inglismaal töötav arst Langdon Down. Downi sündroomiga inimesed on tüüpiliselt lühikest kasvu, kühmus, suure koljuga, laiade ninasõõrmetega, pika keelega, mis on silmatorkavalt kurruline ja rohmakate kätega. Samuti on nad vaimselt alaarenenud, mistõttu vajavad spetsiaalset väljaõpet ja hooldust . Downi sündroomiga indiviidide karüotüüpi tähistatakse 47, XX (või XY), +21. Trisoomiat põhjustab homoloogiliste kromosoomide mittelahknemine meioosiprotsessi käigus. See võib toimuda nii isa kui ka ema sugurakkude moodustumisel, kuid just ema puhul kasvab selle tõenäosus vanuse suurenedes märgatavalt. Riski tõus on seotud sugurakkude küpsemise omapäraga naise organismis. Meioos, mis viib sugurakkude moodustumisele, algab küll juba looteeas, kuid peatub ja kulgeb lõpuni alles viljastumise momendiks. Selle ajani on meioos peatunud esimese jagunemise profaasi staadiumis, kus homoloogilised kromosoomid peavad hakkama paarduma. Mida pikemat aega jäävad rakud profaasi, seda suurem on tõenäosus, et paardumist ei toimu ning kromosoomide jaotumine on häiritud.
Kirjeldatud on ka kromosoomide 13 ja 18 trisoomiat, kuid märksa harvemini. Sel juhul on fenotüübilised muutused markantsemad ning vastsündinud surevad mõne nädala jooksul. X kromosoomi trisoomia puhul on indiviidid eluvõimelised naised, fenotüübiliselt normaalsed, mõnikord siiski kergelt vaimsete puuetega ja vähenenud viljakusega. 47, XXX anomaalia ei kutsu esile silmatorkavaid fenotüübilisi muutusi seetõttu, kuna 2 X kromosoomi 3-st on inaktiveeritud, jättes aktiivseks ainult ühe nii nagu ka normaalsetel XX naistel.
47, XXY indiviidid on fenotüübilt mehed, kuid omavad ka mõningaid naissoole iseloomulikke sekundaarseid sootunnuseid ja on enamasti steriilsed . X kromosoome võib ka rohkem olla. Vastavat sündroomi nimetatakse Klinefelteri sündroomiks, mida iseloomustavad väikesed testised, suurenenud rinnad , pikad jäsemed, teravad põlved ning vähenenud karvakasv kehal. Kui X kromosoome on enam kui kaks, lisanduvad ka vaimsed puuded.
47, XYY karüotüübiga mehed on lühemad kui XY mehed. Diskuteeritud on selle karüotüübi võimaliku seose üle kriminogeensusega.
5.8. Monosoomia
Turneri sündroomi (45, X) puhul on indiviidid fenotüübilt naised, kuid kuna nende munasarjad pole arenenud, siis steriilsed. Nad on kasvult lühemad, südamehäiretega ja kuulevad halvasti. Teisi monosoomia juhtumeid inimeste puhul ei teata. 45, X naistel ei ole rakkudes Barri kehakesi. Tekib küsimus, miks nad siiski erinevad normaalsetest naistest, kellel üks X kromosoom on inaktiveeritud. Vastus peitub selle, et XX naiste puhul jäävad mõned geenid aktiivseks ka teises X kromosoomis, mis on vajalik, et organismi kasv ja areng toimuksid normaalselt. Lisaks, selleks et areneks munasari ja toimuks normaalne oogenees, on vaja, et mõlemad X kromosoomid oleksid aktiivsed.
5.9. Kromosoomide segmentide deletsioonid ja duplikatsioonid
Kromosoomi segmendi puudumist nimetatakse deletsiooniks. Suuri deletsioone on võimalik tsütoloogiliselt tuvastada. Inimesel on kirjeldatud 5-nda kromosoomi lühikese õla deletsiooni 46(5p-) ja sellele vastavat cri-du- chat sündroomi (tuleneb prantsusekeelsest väljendist tähendusega “kassi kräunumine”). Selle sündroomiga kaasnevad tõsised nii vaimsed kui ka füüsilised puuded ning haigete häälitsemine meenutab kassi kräunumist.
Kromosoomisegmendi kahekordistumist nimetatakse duplikatsiooniks. Näiteks kromosoomi 21 pikem õlg võib seonduda 14-nda kromosoomi külge. Juhul, kui selline liitkromosoom kombineerub normaalsete kromosoomidega number 14 ja 21, on indiviid fenotüübiliselt normaalne, kui aga normaalse 14-nda kromosoomi ja kahe normaalse kromosoomiga number 21, on indiviid 21. kromosoomi suhtes suures osas trisoomne ning Downi sündroomiga.
Äädikakärbsel on duplitseerunud regioone lihtne ära tunda polüteenkromosoomide vaatlemisel. Näiteks X kromosoomi keskmise segmendi tandeemne duplikatsiooni kandvatel kärbestel on väiksemad silmad. Vastavat mutatsiooni Bar sisaldava polüteenkromosoomi duplitseerunud segmendid paarduvad omavahel, tekitades sõlmekujulise moodustise. Võimalik on tuvastada ka deletsioone, sest siis tuleb nähtavale lingukujuline homoloogiliste kromosoomide mittepaardunud ala. Kaasajal on võimalik deletsioone ja duplikatsioone kergesti tuvastada molekulaarsete meetoditega. Kuid sellest tuleb juttu hiljem.
5.10. Inversioonid
Inversiooniga on tegemist sel juhul, kui segment kromosoomist on ülejäänud osa suhtes 180° suhtes ümber pööratud. Laboritingimustes saab selliseid ümberkorraldusi kunstlikult esile kutsuda röntgenkiirtega kiiritades, mis põhjustab kromosoomide fragmenteerumist. Mõnikord võivad segmendid uuesti ühineda, kuid nende orientatsioon võib olla muutunud. Inverteerumist võivad põhjustada ka transponeeruvad elemendid – DNA järjestused, mis on võimelised liikuma genoomi ühest osast teise.
Tsütogeneetikas eristatakse kahte tüüpi inversioone: peritsentrilised inversioonid kaasavad tsentromeeri, paratsentrilised aga mitte. Peritsentrilise inversiooni tagajärjel võivad muutuda kromosoomi õlgade pikkused, nii võib akrotsentrilisest kromosoomist tekkida peritsentriline kromosoom. Seetõttu on peritsentrilisi inversioone lihtsam tuvastada kui paratsentrilisi.
5.11. Translokatsioonid
Kui segment kromosoomist satub temaga mittehomoloogilisse kromosoomi, on tegemist translokatsiooniga. Ka translokatsioone saab stimuleerida röntgenkiirtega ning protsessis võivad osaleda ka transponeeruvad elemendid. Kui kaks mittehomoloogilist kromosoomid vahetavad võrdsel hulgal geneetilist materjali, on tegemist retsiprookse translokatsiooniga. Meioosis võivad retsiprookset translokatsiooni sisaldavad muus osas mittehomoloogilised kromosoomid lisaks homoloogiliste kromosoomidega paardumisele ka omavahel paarduda, moodustades ristikujulisi struktuure. Kuna ristikujuliselt paardunud struktuuril on 4 tsentromeeri, võib homoloogiliste kromosoomide lahknemine olla häiritud ja moodustuvad aneuploidsed gameedid.
5.12. Geneetilise materjali ümberkorraldustest tulenevad fenotüübilised muutused
Homosügootses olekus on mitmeid geene haaravad deletsioonid peaaegu et alati letaalsed, sest ei toodeta mõnda organismile elutähtsat valku. Homosügootsete duplikatsioonide fenotüübiline efekt ei ole nii drastiline . Heterosügootses olekus mõjutavad nii deletsioonid kui ka duplikatsioonid fenotüüpi sel viisil, et muutunud on teatavate geenide ekspressioonitase. Fenotüübiline efekt on seda tugevam, mida suuremat kromosoomisegmenti ümberkorraldus hõlmab. Samuti sõltub muudatuse toime organismi vitaalsusele sellest, millist piirkonda muudatus hõlmab. Mõnikord võivad isegi kitsast regiooni hõlmavad deletsioonid ja duplikatsioonid olla letaalsed ning seda ka heterosügootses olekus. Sel juhul jäävad sinna regiooni geenid, mille puhul on väga oluline doos – juba üks geeni lisakoopia või teise geenikoopia puudumine on organismile letaalne. Selliseid geene, mille inaktivatsioon heterosügootses olekus on letaalse toimega, nimetatakse haplo-letaalseteks. Geenid, mille duplikatsioonid on organismile letaalsed, on triplo-letaalsed.
6. Aheldumine, ristsiire ja eukarüootsete kromosoomide kaardistamine
6.1. Kõrvalekalded Mendeli sõltumatu lahknemise seadusest
Bateson ja Punnett ristasid suhkruherneid, mis erinesid teineteisest kahe tunnuse suhtes – õite värvus ning tolmuterade kuju. Punaste õitega ja pikkade tolmuteradega taimede ristamisel valgete õite ja ümarate tolmuteradega taimedega saadi punaste õitega ja piklike tolmuteradega järglased. Sellest võis järeldada, et punane õievärv ning tolmuterade piklik kuju on domonantsed tunnused. Hübriidide iseviljastumisel saadi nelja fenotüübiga järglasi, kuid nende fenotüüpide suhe erines oluliselt oodatavast suhtest 9:3:3:1. 1000 järglase hulgas oli võrreldes rekombinantidega (26 ja 24) ebaproportsionaalselt palju punaste ja piklike tolmuteradega taimi (583) ning valgete õitega ja ümarate tolmuteradega taimi (170). Tegelik suhe oli seega 23,3:1:1:6,8. Kõrvalekalle tulenes sellest, et õite värvust ning tolmuterade kuju määravad geenid olid aheldunud . Kuna F2 järglaskonnas oli ka punaste õitega ja ümarate tolmuteradega ning valgete õitega ja piklike tolmuteradega taimi, sisaldasid F1 põlvkonnas moodustunud gameedid osadel juhtudel rekombinantset DNA-d, kus ühe geeni alleelid olid teise geeni alleelide suhtes vahetunud.
6.2. Kuidas mõõta geenide aheldatuse määra ?
Geenid, mis paiknevad üksteise suhtes lähestikku, on tugevamalt aheldunud ning rekombineeruvad harvemini. Seega võimaldab geenidevahelise rekombinatsiooni sagedus hinnata nendevahelist aheldatust.
Rekombinatsioonisageduse arvutamiseks ristatakse uuritavate tunnuste suhtes aheldunud geenidega isendeid, näiteks eelpoolkirjeldatud heterosügootseid F1 põlvkonna suhkruherneid mõlema retsessiivse alleeli suhtes homosügootsete suhkruhernestega ja jagatakse rekombinantide arv kogu järglaskonna arvuga.
Kui rekombinatsiooni pole toimunud, peaksid 50% järglastest olema fenotüübilt sarnased ühele vanemale ja 50% teisele vanemale. Oletame, et 1000-st järglasest 450 sarnanesid fenotüübilt heterosügootsele F1 põlvkonnast vanemale (punaseõielised, pikkade tolmuteradega) ja 470 homosügootsele retsessiivsele vanemale (valgete õitega, ümarate tolmuteradega). Oli ka rekombinante: 42 punaste õitega ja ümarate tolmuteradega ning 38 valgete õitega ja piklike tolmuteradega hernetaime – kokku 80 rekombinanti. Seega jagatakse rekombinantide arv 80 kõigi järglaste arvuga (80 + 450 + 470). Konkreetsel juhul on jagatis 0,08, mis näitab, et rekombinatsioon toimus 8%-lise sagedusega. Rekombinatsioonisagedus kahe geeni vahel ei ületa kunagi 50%. Kui arvutused seda näitavad, pole geenid aheldunud, vaid paiknevad erinevates kromosoomides.
6.2. Kromosoomide kaardistamine
Ristsiirete arv võimaldab mõõta geneetilist distantsi
Homoloogiliste kromosoomide vahelisi ristsiirdeid toimub lühikese distantsi ulatuses harvemini kui pikemate distantside puhul. Iga üksiku raku kohta on ristsiirde toimumise võimalus harv, kuid paljudest rakkudest koosnevas populatsioonis on selleks palju võimalusi. Seega saame me anda keskmise arvulise väärtuse igas konkreetses kromosoomi regioonis toimuvate ristsiirete kohta. Kahe punkti vaheline kaugus kromosoomi geneetilisel kaardil kujutab nende punktide vahel toimuvate ristsiirete keskmist arvu.
6.3. Rekombinatsiooni sagedus ja distantsid geneetilisel kaardil
Eelpool kirjeldatud geneetiliste distantside meetod töötab hästi siis, kui geenid asuvad üksteisele suhteliselt lähestikku. Juhul, kui nad paiknevad üksteisest väga kaugel, ei kajasta rekombinatsiooni sagedus nende tegelikku distantsi. Näiteks geenid cs ja f on äädikakärbse X kromosoomis teineteisest 66,8 cM kaugusel. Samas ei saa kahe geeni rekombinatsiooni sagedus teoreetiliselt ületada 50%. Nii tuleks nad kaardil paigutada teineteisest 50 cM kaugusele. Tänu nende kahe geeni vahele jäävate geenide vaheliste distantside summeerimisele saame distantsiks 66,8 cM. Seega võib tõeline geneetiline distants kahe geeni vahel olla teoreetilisest suurem. Suuremate vahemaade puhul võib toimuda kahe kromatiidi vahel topeltristsiire, nii et lõpptulemusena taastub algne olukord. Sama efekti annab ka neljakordne ristsiire. Kuna sel juhul ei ole kromosoomid rekombinantsed, jäävad need sündmused arvutustest välja. Kokkuvõtvalt võib öelda, et geenidevaheline rekombinatsiooni sagedus, mis jääb allapoole 20 – 25%, kajastab nendevahelist distantsi täpselt, üle selle ilmnevad kõrvalekalded tegelikust olukorrast – tegelik vahemaa on teoreetilisest pikem, kuna osa mitmekordseid ristsiirdeid ei vii lõpptulemusena rekombinantsete kromosoomide moodustumisele ja jäävad arvutustest välja.
6.4. Kiasmide sagedus ja geneetiline distants
Iga homoloogiliste kromosoomide vahel jälgitav kiasm meioosi profaasis peaks kajastama üht profaasi algusosas toimunud ristsiiret. Seega peaks kiasmide loendamine võimaldama meil samuti määrata keskmist ristsiirete arvu kromosoomi kohta. Liidame kiasmid kokku ja jagame uuritud rakkude arvuga. Kui näiteks 100 raku kohta loendati 215 kiasmi , siis keskmine kiasmide arv raku kohta on 2,15 ning kromatiidi kohta poole väiksem – 1,07. Sellest leiame, et kromosoomi pikkus on 107 cM, sest kiasmide arv kromatiidi kohta väljendab kromosoomi geneetilist pikkus. Võime arvutada ka geneetilise pikkuse ja keskmise kiasmidevahelise arvu suhte, see on:107 cM : 2,15 kiasmi = 50. See tähendab, et geneetilise kaardi 50 cM-le vastab üks kiasm.
Kahe punkti vaheline kaugus geneetilisel kaardil kujutab
nende punktide vahel toimuvate ristsiirete keskmist arvu
6.5. Geneetiline ja füüsiline distants
Me eeldame, et pikemate kromosoomide vahel toimub rohkem ristsiirdeid kui lühemate vahel. Enamasti see nii ongi, kuid mõnede regioonide vahel toimub ümberkombineerumine sagedamini kui teiste vahel. Seega ei vasta kaugused geneetilisel kaardil täpselt kaugustele kromosoomi füüsilisel kaardil. Ümberkombineerumine toimub väiksema tõenäosusega kromosoomi otste lähedal ning tsentromeeri piirkonnas. Need piirkonnad on geneetilisel kaardil kokku surutud. Ülejäänud regioonid , kus ristsiirete toimumise tõenäosus on kõrgem, on geneetilisel kaardil välja venitatud. Hoolimata neist erinevustest on nii geneetilised kui ka füüsilised kromosoomikaardid kolineaarsed, mis tähendab seda, et konkreetsed geenid on mõlemal kaardil samas järjekorras. Seega võimaldab rekombinantide analüüs määrata geenide järjekorda kromosoomis, kuid mitte nendevahelisi füüsilisi kaugusi.
6.6. Rekombinatsiooni osa evolutsiooniprotsessis
Meioosis, kus homoloogilised kromosoomid satuvad kõrvuti, rekombineeruvad aheldunud geenid ristsiirde kaudu – nii tekivad uued alleelide kombinatsioonid. Mõned neist kombinatsioonidest võivad organismile kasulikud olla, tõstes tema eluvõimet ja viljakust. Nii levivad kasulikud kombinatsioonid populatsioonis, kuni muutuvad konkreetse liigi seisukohalt standardseteks. Geneetilise materjali ümberkombineerumine meioosiprotsessis on seega üks viis suurendada geneetilist variantsust, mis on alusmaterjaliks evolutsioonile.
Võrdleme kahte liiki, millest üks paljuneb sugulisel teel ning teine mitte. Oletame, et mõlemal liigil tekib kasulik mutatsioon ning aja jooksul veel teinegi. Liigi puhul, mis paljuneb seksuaalsel teel, võivad need mutatsioonid sattuda samasse organismi ja sugurakkude moodustumisel meioosi käigus rekombineeruda. Rekombinantsed järglased on võrreldes üksikmutantidega edukamad ning saavutavad mõne aja pärast populatsioonis ülekaalu. Nii levivad mõlemad kasulikud mutatsioonid populatsioonis koos. Mittesugulisel teel paljuneva organismi puhul puudub võimalus kasulike mutatsioonide rekombineerumiseks ning edasiseks kooslevimiseks populatsioonis.
6.7 Geenide kaardistamine kasutades kromosomaalseid ümberkorraldusi
Hübriidsete rakkude analüüs võimaldab tuvastada, millises kromosoomis uuritav geen paikneb, kuid sel juhul jääb selgusetuks, millises kromosoomi piirkonnas. Seetõttu võetakse appi kombineeritud meetodid, kasutades geneetiliste ümberkorraldustega kromosoome, mis sisaldavad translokatsioone. Näiteks on toimunud translokatsioon X kromosoomi ja 14-nda kromosoomi vahel – enamus X kromosoomi pikast õlast on translokeerunud 14-nda kromosoomi otsa ning väike segment 14-nda kromosoomi otsast on translokeerunud X kromosoomi otsa. Inimese rakke, mis seda translokatsiooni sisaldasid, hübridiseeriti hiire rakkudega ja kasvatati HAT-söötmel. Mõned ellujäänud hübriidsed rakud sisaldasid lisaks hiire kromosoomidele ainult üht inimese kromosoomi – 14-ndat kromosoomi, kuhu oli liitunud enamus X kromosoomi pikemast õlast. Kuna eelnevalt oli teada, et geen HPRT paikneb X kromosoomis, oli nüüd selge, et see geen paikneb X kromosoomi pikemas õlas. Need hübriidsed rakud ekspresseerisid ka fosfoglütseraadi kinaasi (PGK) ning glükoos-6- fosfaadi dehüdrogenaasi (G6PD), mille geenid olid samuti eelnevalt X kromosoomi lokaliseeritud. Järelikult sai nüüd ka nende kahe geeni täpsem asukoht selgeks. Sama rakuliin ekspresseeris ka nukleosiidi fosforülaasi (NP), mille geeni kohta oli eelnevalt teada, et see paikneb 14-ndas kromosoomis. Seega sai nüüd välistada võimaluse, et NP-d kodeeriv geen paikneb 14-nda kromosoomi selles osas, mis oli translokeerunud X kromosoomi. Edasise analüüsi käigus töötati juba selliste translokatsiooni sisaldavate kromosoomidega, kus X kromosoomist olid üle kandunud lühemad segmendid. Nii oli võimalik uuritavad geenid X kromosoomis reastada.
7. Aheldumise geneetilise analüüsi edeasiarendused
7.1. Aheldumise määramine eksperimentaalorganismidel
Võimaldab leida geenide asukohti kromosomaalsete struktuuride (tsentromeerid, vöödid) suhtes
Geeniaheldus (gene linkage) – geneetilise aheldatuse kitsam, klassikaline mõiste. Tähendab piiratud rekombineerumist geenide vahel geotüüpide pärandumisel, st. Mendeli III seaduse rikkumist.
Geeniaheldus on tingitud geenilookuste lähestikusest paiknemisest kromosoomis. Aheldunud geenid rekombineeruvad ristsiirde kaudu. Sagedus oleneb geenidevahelisest kaugusest kromosoomis.
Geenide aheldusgrupi määramiseks kasutatakse tasakaalustatud poolletaalse toimega dominantsete mutatsioonidega markeeritud kromosoomidega testiline.
Kõige intensiivsemalt on uuritud geenide aheldumist seentel (eriti pärmidel) ning äädikakärbsel
7.2. Tetraadanalüüs
Askomütseetidele, kuhu kuulub ka pagaripärm Saccharomyces cerevisiae, on iseloomulik, et meioosis moodustunud 4 askospoori jäävad kokku moodustisse, mida nimetatakse askuseks. Kuna need seened on suurema osa oma elutsüklist haploidsed, areneb igast askospoorist uus organism. See lihtsustab erinevate
genotüüpidega askospooride fenotüübilist analüüsi.
Askospooride moodustumine pagaripärmil kajastab toimunud meioosiprotsessi. Meioosi lõpptulemusena tekib 4 askospoori, millest igaüks sisaldab ühte neljast meioosi algfaasis kõrvuti paiknenud tetraadi moodustanud kromatiidist. Tänu sellele saame me geenide aheldumist tetraadis uurida askospooride fenotüüpide kaudu.
Kui ristata kahte pärmi tüve, millest üks kannab mitteaheldunud mutantseid geene a ja b ning teine nende geenide metsiktüüpi alleele A ja B, siis moodustuvad kolme tüüpi askused. Üks põhitüüpidest sisaldab askospoore, millest kaks on iseloomulikud ühele (AB) ja kaks teisele vanemale (ab) – vanemtüüpi kahetüübiline (parental ditype) askus. Teine põhitüüp sisaldab kahte tüüpi askospoore, mis on rekombinantsed (Ab) või (aB). Mõlemal juhul on üks alleel pärit ühelt vanemalt ning teine alleel teiselt vanemalt – mitte vanemtüüpi kahetüübiline (nonparental ditype) askus. Kuna erinevad kromosoomid lahknevad üksteisest sõltumatult, moodustub mõlemat tüüpi askuseid võrdselt. Vähesel hulgal moodustub ka kolmandat tüüpi askuseid, mis sisaldavad nelja erinevat tüüpi askospoori (Ab), (ab), (AB) ja (aB) – tetratüüpi askus. Sel juhul on ühe geeni kaks alleeli ristsiirde teel vahetanud oma asukoha.
7.3. Paigalhoidvad kromosoomid
Uute mutatsioonide lokaliseerimiseks kromosoomis kasutatakse dominantse alleeliga markeeritud inversiooniga kromosoome, nn. paigalhoidvaid (balancer) kromosoome, mis takistavad nende kromosoomide rekombineerumist normaalsete (inversioonita) homoloogidega. Analüüsime ristamise tulemusi, kus on kasutatud kahte paigalhoidvat kromosoomi – kromosoom number 2 on markeeritud dominantse mutatsiooniga Cy (krussis tiivad – ingl. k. curly wings) ning kolmas kromosoom on markeeritud mutatsiooniga Tb (jässakas keha – ingl. k. tubby body). Homoloogilised kromosoomid kannavad samuti dominantseid markereid – Pm (ploomivärvi silmad – ingl. k. plum eyes) teises kromosoomis ning Sb (tüükakujulised harjased – ingl. k. stubble bristles) kolmandas kromosoomis. Kõigil neljal markeril on ka retsessiivne letaalne efekt, mistõttu homosügoodid surevad. Tundmatu retsessiivse mutatsiooni suhtes homosügootseid emaseid ristatakse isastega, kes kannavad eelpoolkirjeldatud tasakaalustavaid kromosoome ja nende homolooge. Sõltuvalt sellest, millises kromosoomis uuritav mutatsioon paikneb, on järglaskond erinev. Kui mutatsioon on X-liiteline, on kõik isased järglased mutantsed, emased aga mitte.
7.4. Kaardistamistehnikad

• Neurospora crassa reastatud tetraadide analüüs tsentromeeride kaardistamiseks
  
• Drosophila deletsioonide ja duplikatsioonide tsütogeneetiline kaardistamine
  

7.5. Tsentromeeride kaardistamine kasutades tetraadanalüüsi
Neurospora crassa reastatud tetraadide analüüs tsentromeeride kaardistamiseks:
Oletame, et alleelid A ja a, mis paiknevad tsentromeeri lähedal, produtseerivad askospoorides erinevaid pigmente. Kui ristata A ja a alleelidega rakke, moodustuvad kaheksa spooriga askused. Alleelid võivad segregeeruda erinevalt ja seetõttu näeme kahetüübilisi askuseid.
Esimesel jagunemisel segregeerumise muster avaldub siis, kui neli esimest spoori askuses on alleeliga A ja ülejäänud neli alleeliga a. Alleelid A ja a lahknevad esimesel jagunemisel puhtalt – AA ühele poole ja aa teisele poole. Pärast teist jagunemist lahknevad kromatiidid eraldi tuumadesse järjekorras A, A, a, a ning seejärel poolduvad tuumad veel mitootiliselt.
Teisel jagunemise segregeerumise mustrit näeme siis, kui on toimunud ristsiire lookuse A ja tsentromeeri vahelt, ning A ja a satuvad teisel meiootilisel jagunemisel erinevatesse tuumadesse. Sel juhul on reas kahekaupa kõrvuti kord ühte, kord teist alleeli sisaldavad askused. Materjali ümberkombineerumine kahe kromatiidi vahel toimub esimesel meiootilisel jagunemisel, kumbagi tuuma satub üks algne ja üks rekombinantne kromatiid. Pärast teist jagunemist satuvad kõik kromatiidid erinevatesse tuumadesse järjekorras A, a, A, a.
7.6. Tsütogeneetiline kaardistamine kasutades deletsioone ja duplikatsioone
Erinevalt rekombinantide analüüsil põhinevast geenide kaardistamisest on tsütogeneetilise kaardistamise puhul oluline, et uuritav fenotüübilist efekti omav retsessiivne mutatsioon oleks kombineeritud tsütoloogiliselt jälgitava deletsiooni või duplikatsiooniga. Äädikakärbse polüteenkromosoomide puhul on deletsioonid ja duplikatsioonid kergesti jälgitavad.
Näiteks mutatsioon white on X kromosoomi ühest otsast 1,5 cM kaugusel, kuid kumma otsa suhtes see distants on leitud ning kui kaugele jääb ta otsast füüsiliselt, seda aitab selgitada ainult tsütoloogiline analüüs.
Ristamise teel püütakse saada heterosügootseid järglasi, mis kannaksid mutatsiooniga white X kromosoomi ning defineeritud kohast deletsiooniga X kromosoomi. Juhul, kui teises X kromosoomis olev deletsioon hõlmab white geeni sisaldavat piirkonda, on järglased valgete silmadega, kõigil teistel juhtudel aga punaste silmadega. Põhjus on selles, et kui deletsioon ja white geen asuvad samas kohas (lookuses), ei ole heterosügootides funktsionaalset metsiktüüpi alleeli ning pigmenti ei produtseerita. Vastava deletsiooni asukoht on jälgitav polüteenkromosoomil.
Ka duplikatsioone saab kasutada mutatsioonide kaardistamisel. Sel juhul jälgime duplikatsiooni, mis maskeerib retsesiivse mutatsiooni fenotüübi, s.t. ta peab sisaldama duplikatsioonis mutantse geeni metsiktüüpi alleeli.
8. Komplekssete tunnuste päritavus
8.1. Mitmealleelsus ning tunnuse pidev muutlikkus
Tunnuse pidev muutlikkus populatsioonis esineb näiteks sel juhul, kui ühel ensüümil esineb mitu vormi, mis kõik erinevad üksteisest ensümaatilise aktiivsuse poolest. Sama geeni erinevate alleelide poolt kodeeritud ensüüme nimetatakse allosüümideks. Inimese vererakkudes on kirjeldatud kolme põhilist aluselise
fosfataasi ACP varianti , mida määravad kolm alleeli ACPA, ACPB ja ACPC. Nende kolme alleeli kombineerumise tulemusena võivad tekkida kuus erinevat genotüüpi. Aluselise fosfataasi A, B ja C vormid on funktsionaalselt sarnased, kuid erinevad oma liikuvuselt geelelektroforeesil, sest nende aminohappelises järjestuses on erinevusi. Kuue erineva genotüübi puhul on valkude elektroforeetiline pilt erinev. Kõigi kolme homosügootse variandi puhul on geelis elektroforeetiliselt tuvastatavad kaks erinevat, igale tüübile spetsiifilist valgubändi, sest samal polüpeptiidil on kaks konformatsiooni, mis liiguvad geelis erinevalt. Iga erineva genotüübi puhul on ACP aktiivsus erinev, püsides teatavas väärtuste vahemikus. Erinevate genotüüpide korral need väärtused osaliselt kattuvad. Analüüsides ACP aktiivsust kogu populatsioonis saame pideva kõvera, mis näitabki, et selle tunnuse fenotüübiline muutlikkus populatsioonis on pidev.
8.2. Erinevate lookuste ja keskkonna mõju tunnustele
Päriliku tunnuse pidev muutlikkus on määratud kahe faktori poolt:
1) kaks ja enam alleelipaari segregeeruvad ning kombineeruvad järglaskonnas üksteisest sõltumatult; 2) keskkonna mõjutused.
8.3. Alternatiivsete fenotüüpide kompleksne päritavus
Sellised tunnused nagu näiteks resistentsus DDT-le, õisikute pikkus, maisitõlvikute värvus ja ubade suurus on pideva varieeruvusega. Mõnede paljude faktorite poolt samaaegselt kontrollitavate tunnuste avaldumine toimub aga ainult teatavate genotüübiliste variantide korral. Neid tunnuseid nimetatakse lävitunnusteks – ingl. k. “threshold traits ”. Näiteks jänesemokale lisandub osadel juhtudel lõhe suulaes, osadel aga mitte.
Tunnust määravate geneetiliste variantide rohkus on suur, kuid ainult väheste variantide puhul (alates teatavast geneetilisest lävest) kaasneb lõhestunud huulega lõhe suulaes, ning seda vaid teatavate keskkonna tingimuste korral. Sellist sõltuvust on näidatud ühemuna kaksikute puhul, kes on geneetiliselt identsed. Tunnus avaldub mõlemal kaksikul korraga 40% juhtudest. Kui kirjeldatud fenotüüp oleks määratud ainult geneetiliselt, siis peaks see mõlemal korraga avalduma kõigil juhtudel. Seos päritavusega ilmneb sugupuude analüüsist: esimese astme sugulastel, kes on geneetiliselt lähedasemad, avaldub see tunnus sagedamini kui teise-ja kolmanda astme sugulastel, kes on geneetiliselt heterogeensemad.
8.4. Kvantitatiivsete tunnuste analüüs
Looduslikes populatsioonides on harva leida diskreetseid ( kvalitatiivselt erinevaid) fenotüübilisi klasse . Enamasti täheldame organismide pidevat muutlikkust uuritavate tunnuste osas. Selline muutlikkus on kvantitatiivne. Esimene samm komplekssete tunnuste analüüsimisel ongi katse kirjeldada neid kvantitatiivselt. Et seda teha, võetakse populatsioonist juhuslikud esindajad ning nende analüüsist saadud tulemustest tehakse üldistused suuremale populatsioonile. Arvutatud väärtused on statistilised.
8.5. Tunnuse kvantitatiivsete väärtuste esinemissageduste jaotuvus
Andmeid, mis kirjeldavad tunnust kvantitatiivselt, saab esitada graafiliselt, näidates, millise sagedusega teatavad väärtused jaotuvad. Horisontaaltelg, x- telg näitab tunnuse erinevaid väärtusi (näiteks kasvu) populatsiooni erinevate indiviidide korral, vertikaaltelg aga nende väärtuste sagedust. Jälgiti näiteks nisu küpsemist päevades 40 taime puhul.
8.6. Keskmine ja modaalklass
Valimi keskmine (sample mean) X arvutatakse sel viisil, et summeeritakse kõigi isendite andmed (ΣXi) ning jagatakse need vaadeldud isendite arvuga.
X = ΣXi /n
Modaalklass on väärtuste klass, kuhu jaotub analüüsitud valimist kõige enam indiviide. Joonisel 25.9 on see näidatud noolega.
8.7. Valimi varieeruvus ja standardhälve
Valimi keskmine üksi ei kirjelda seda, kui suures ulatuses andmed keskmisest väärtusest erinevad. Et seda kirjeldada, tuuakse sisse varieeruvuse (variance) mõiste. Varieeruvus mõõdab üksikute andmepunktide hajuvust keskmisest punktist. Valimi varieeruvus s^2 (sample variance) arvutatakse valemist
s^2= Σ(Xi – X)^2/ (n – 1)
Valimi keskmisest erinemise kirjeldamiseks kasutatakse ka standardhälvet s (standard deviation). Standardhälve on ruutjuur valimi varieeruvusest.
s = √s^2
8.8. Korrelatsioonikoefitsient
Mõnikord on erinevate omaduste mõõtmistulemuste seeriad omavahel seotud. Näiteks uuritakse populatsioonis kasvu ja kaalu muutlikkust ning soovitakse leida korrelatsiooni nende tunnuste väärtuste suhtes suguluses olevate indiviidide puhul. Tekib küsimus, kas isa ja poegade kaalu vahel esineb seos. Appi võetakse korrelatsioonikoefitsient r.
r = Σ[(Xi – X)*(Yi – Y)]/ ((n – 1)sx sy),
kus Xi ja Yi on i-nda mõõtmise andmed ning X ja Y valimi keskmised andmed. sx ja sy on vastavalt nende standardhälbed. n näitab valimi suurust. Korrelatsioonikoefitsient varieerub - 1 kuni + 1. Väärtuse – 1 korral on tegemist täielikult negatiivse korrelatsiooniga X ja Y vahel, näiteks pikakasvulistel isadel on lühikesed pojad. Väärtuse + 1 korral on tegemist positiivse korrelatsiooniga (pikakasvulistel isadel on pikakasvulised pojad). Väärtuse 0 puhul korrelatsioon puudub. Inimestel on nii kasv kui kaal positiivses korrelatsioonis. Samas on kodulindude munade suurus ja nende arv negatiivses korrelatsioonis: kanad munevad näiteks vähem suuri või suuremal arvul väiksemaid mune. Paljude väärtuste vahel aga korrelatsioon puudub (näiteks korrelatsioon indiviidide kasvu ja IQ vahel).
8.9. Päritavus
Päritavus (heritability) on kvantitatiivse tunnuse populatsioonisisese muutlikkuse see osa, mis on tingitud genotüübilistest erinevustest indiviidide vahel. Ülejäänud osa tunnuse muutlikkusest on tingitud kas puhtalt eksogeensetest (keskkonna) tingimustest või genotüüpide ja keskkonnategurite vastasmõjust. Multifaktoriaalsed tunnused on näiteks keha suurus, isendi viljakus, organismi vastupanu haigustele, vererõhu tase ja kolesterooli tase organismis.
Selleks, et mõõta päritavuse osa tunnuse muutlikkuses, tuleb määrata tunnuse kogu muutlikkus Vt ning leida selles geneetilistest erinevustest tingitud muutlikkuse Vg ja keskkonnateguritest tingitud muutlikkuse Ve osa. Seega, Vt = Vg + Ve
8.10. Päritavuskoefitsient
Päritavuskoefitsient h^2 väljendab geneetilise muutlikkuse suhteosa Vg tunnuse üldisest populatsioonisisesest muutlikkusest Vt antud keskkonna tingimustes.
h^2 = Vg / Vt
Päritavuskoefitsient varieerub nullist üheni. Väärtuse 0 korral ei ole fenotüübiline muutlikkus tingitud genotüübilistest erinevustest, väärtuse 1,0 korral on aga kogu fenotüübiline varieeruvus põhjustatud geneetilistest faktoritest. Päritavuskoefitsient näitab tunnuse geneetilise muutlikkuse osa antud geneetilise struktuuriga populatsioonis konkreetsetes keskkonnatingimustes. See ei näita tunnuse päriliku tingituse määra ega mehhanismi üksikindiviidide arengus.
8.11. Kunstlik valik. Inbriiding ja heteroos
Teades kvantitatiivsete tunnuste päritavuskoefitsienti, on võimalik ennustada kunstliku valiku teel saadud järglaskonna kvantitatiivseid tunnuste omadusi. Kunstlik valik (artficial selection ) on eksperimentaatori või aretaja poolt teostatud valik bioloogilistele objektidele eesmärgiga saada teatud vajadustele või soovidele ja rakendatud tingimustele vastavaid vorme (liine, tüvesid, sorte , tõuge). Suguliselt sigivate organismide (näit. koduloomad, kultuurtaimed ) puhul seisneb kunstlik valik peamiselt valitud genotüüpidega (või fenotüüpidega) isendite kontrollitud ristamises ning järglaste valikus geneetiliste omaduste järgi.
Inbriiding mõjutab kvantitatiivseid tunnuseid nagu näiteks keha suurus, elujõulisus, viljakus. Mida suurem on populatsioonis inbriidingu osakaal, seda väiksema elujõulisusega ja madalama viljakusega populatsioon on. Inbriidingu negatiivne efekt tuleneb kahjulike retsessiivsete alleelide avaldumisest homosügootides.
Kui ristumine toimub omavahel mittesuguluses olevate isendite vahel, nimetatakse seda autbriidinguks (outbreeding). Autbriidingu tulemusena võime näha heteroosi efekti, kus hübriidid on vanematest elujõulisemad, seda eeskätt geneetiliselt erinevate inbriidingu tulemusena saadud homosügootsete vanemate ristamisel.
8.12. Kvantitatiivsete tunnuste molekulaarne analüüs ( diabeet , intelligents jne.)
Geneetilisi lookusi, mis määravad kvantitatiivseid tunnuseid, tähistatakse QTL (quantitative trait loci). QTL lookusi kaardistatakse, kasutades genoomis leitud geneetilisi markereid. Molekulaarsete meetodite rakendamine nagu DNA sekveneerimine , restriktsioonisaitide polümorfism ja valkude elektroforees võimaldavad tuua välja erinevusi indiviidide vahel.
Epilepsia puhul tuntakse erinevaid vorme. Teatud tüüpi epilepsiat põhjustav geen on lokaliseeritud 10-nda kromosoomi pikka õlga, epilepsia teistsugust vormi põhjustav geen aga 20-ndasse kromosoomi. Leitud on ka epilepsiat põhjustav geen 8-ndas kromosoomis.
9. Populatsioonigeneetika ja evolutsioon
9.1. Varajased evolutsiooniteooriad
Evolutsioonilist mõtlemist takistasid eeskätt kolm doktriini. Esiteks katastrofism: väljasurnud organismide luustike leide põhjendati Vana Testamendi veeuputusega. Teiseks
tüpoloogiline mõtlemine e. essentsialism: elusloodus koosnes kindla eesmärgiga organismidest, mis võisid küll tüübisiseselt varieeruda (kasside/ koerte tõud), kuid
põhiolemuselt tuli kõiki tüüpe käsitleda eraldiseisvatena s.t. neil puudus ühine eellane. Kolmandaks printssibiks oli entelehhia , organismide sisemine püüe täiustuda.
9.2. Darwini evolutsiooniteooria
Aastatel 1831-1836 sooritas Darwin reisi Lõuna-Ameerikasse, mille käigus ta kogus põhilised andmed, millele tugines hiljem tema evolutsiooniteooria. Tema põhilised tähelepanekud võib tuua välja kolme punktina:
1) Lõuna-Ameerikas kirjeldas Darwin väljasurnud organismide luid. Üllataval kombel sarnanesid nende luustikud kaasajal elanud organismide luustikega. Kas see sarnasus viitab sidemele väljasurnud liikide ja praegu elavate liikide vahel?
2) Looduslikud tingimused Maal on olnud pidevas muutumises. Seal, kus kunagi oli ookean, võivad praegu asuda mäed. Näiteks leidis Darwin Andidest kunagi meres elutsenud organismide jäänuseid. Seega kinnitasid Darwini leiud Charles Lyell’i teooriat, et Maa pinnas on geoloogiliste ajastute vältel muutunud.
3) Külastades Galapagose saari, kirjeldas Darwin 13 vindi liiki, mis olid sarnased Lõuna-Ameerika läänerannikul elavate vintidega. Need 13 liiki erinesid keha suuruselt ja noka kujult ning asustasid ökoloogiliselt erinevaid piirkondi. Darwin oletas, et vindid tulid Galapagose saartele mandrilt ning seejärel populatsioon mitmekesistus, asustades erinevate looduslike tingimustega piirkondi.
Evolutsiooniteooria väljaarendamiseks sai Darwin inspiratsiooni Thomas Malthuse ideedest. Malthus väitis, et looduslikud ressursid on limiteeritud, samas toimub populatsioonisiseselt areng ning konkurentsi tingimustes jäävad ellu ainult vähesed. Lähtudes neist ideedest, läks Darwin edasi ning väitis, et organismide paljunemine populatsioonisiseselt toimuks eksponentsiaalselt, kui seda ei piiraks ressursside vähesus. Seega jäävad konkurentsitingimustes ellu ja annavad järglasi eelistatult need isendid, kes on vanematelt pärinud omadused, mis muudavad nad võrreldes konkurentidega edukamaks. Darwini loodusliku valiku teooria järgi tekib populatsiooni paljunemise käigus uusi variante ning edukamad variandid asendavad vähem edukamad variandid.
Darwini evolutsiooniteooria muutis oluliselt seni lääne ühiskonnas valitsenud mõttemaailma. See tõrjus kõrvale katastrofismi idee ning liikide loomise idee. Darwini teooria lükkas kõrvale antropotsentristliku mõttemalli nagu oleks inimliik universumi keskpunkt. Ka osutus Maa olevat palju vanem kui piibliõpetuse järgi pakutud 4000 kuni 6000 aastat. Tüpoloogiline mõtlemine asendus populatsioonide tasemel mõtlemisega ning enam ei käsitletud organismide arengut eesmärgipärasena.
Darwini teooria ei käsitlenud mehhanisme , kuidas kujuneb geneetiline variantsus, mil viisil päranduvad tunnused järglastele ning kuidas populatsiooni geneetiline koostis aja jooksul muutub. Kuigi Darwini evolutsiooniõpetus käsitles pärilikkuseühikute – gemmulate – kandumist järglaskonda, sarnanes ettekujutus gemmulate muutlikkusest Lamarcki poolt esitatud organismi elu jooksul omandatud tunnuste ideele. Alles Darwini õpetuse kombineerimine Mendeli pärilikkuse teooriaga võimaldas luua kaasaegse pildi looduslikes populatsioonides toimuvast evolutsiooniprotsessist.
9.3. Hardy -Weinbergi populatsiooni geneetilise tasakaalu seadus
Mendeli seaduste rakendamist vabalt ristuvatele populatsioonidele katsetati juba 20. sajandi algul. Nii näitas Udny Yule, et kui ühe alleelipaari A ja a suhtes lahknenud F2 populatsiooni siseselt toimub juhuslik ristumine, on kolm võimalikku genotüüpi AA, Aa ja aa samades proportsioonides esindatud nii F3 põlvkonnas kui ka järgmistes generatsioonides. Seda ideed arendas edasi William Castle, väites, et genotüüpide suhe populatsioonis muutub läbi generatsioonide siis, kui genotüüp aa selektsiooni teel kõrvaldada kas füüsiliselt või takistades selle genotüübiga isendite ristumist.
Hardy ja Weinberg leidsid seaduspärasuse, kuidas alleelide sagedus populatsioonis võimaldab ennustada genotüüpide sagedust juhuslikult ristuvas populatsioonis. Oletame jällegi, et populatsioonis on kaks alleeli A ja a ning alleel A esineb sagedusega p ning alleel a sagedusega q. AA genotüübi tõenäosus populatsioonis on seega alleeli A sageduse korrutis p x p = p2. Samal põhimõttel arvutatakse ka genotüübi aa tõenäosus populatsioonis (q x q = q2). Heterosügootide Aa moodustumise tõenäosus on 2pq, sest on võimalik, et alleel A munarakust kombineerub alleeliga a seemnerakust ja vastupidi. Seega saab genotüüpide tõenäosust populatsioonis esitada valemi näol
(p + q)2 = p2 + 2pq + q2 = 1
See valem töötab suurte populatsioonide puhul, kus populatsioonisiseselt toimub vaba ristumine (panmiktiline populatsioon). Sellises populatsioonis ei toimi evolutsioonitegurid (mutatsioonid, valik, migratsioon) ning tasakaalulised alleeli- ja genotüübisagedused säiluvad muutumatuna põlvkonnast põlvkonda.
Hardy-Weibergi seaduse illustreerimiseks toome järgmise näite. Oletame, et populatsioonis on 1000 isendit genotüüpidega AA (490), Aa (420) ja aa (90). Milline on nende genotüüpide sagedus järgmises põlvkonnas, eeldades, et isenditevaheline populatsioonisisene ristumine toimub vabalt. Esmalt leiame alleelide A ja a sagedused populatsioonis. Selleks tuleb mõlemattüüpi alleelide arv jagada populatsioonis esinevate alleelide koguarvuga:
Alleeli A sagedus p = (2 x 490 + 420)/2000 = 0,70
Alleeli a sagedus q = (2 x 90 + 420)/2000 = 0,30
p + q summa peab alati olema 1.
Toetudes Hardy-Weinbergi valemile leiame nüüd, et genotüüp AA esineb järglaskonnas sagedusega p2 = 0,49; genotüüp Aa esineb sagedusega 2pq = 0,42; genotüübi aa sagedus järglaskonnas on q2 = 0,09. Seega on 1000 järglase hulgas jällegi 490 AA genotüübiga isendit, 420 genotüübiga Aa isendit ja 90 genotüübiga aa isendit.
Hardy-Weinbergi valem võimaldab arvutada genotüüpide sagedusi eelpoolkirjeldatud tingimustel näiteks inimese MN vererühmade suhtes. Kui aga teatav alleelipaar on populatsioonis eelistatud (näiteks heterosügoodid homosügootide suhtes), ei vasta tegelikud sagedused arvutuslikele.
Hardy-Weinbergi seadus on kasutatav genotüüpide sageduste arvutamisel ka enam kui kahe alleeli korral. Näiteks kolme alleeli puhul on rakendatav valem
(p + q + r)2 = p2 + q2 + r2 + 2pq + 2pr + 2qr = 1
Suguliitelisete dialleelsete geenide puhul kasutatakse genotüüpide sageduste arvutamisel homogameetsete isendite (XX isendid) korral valemit
(p + q)2 = p2 + 2pq + q2 = 1
ning heterogameetsete isendite (XY isendid) korral valemit
p + q = 1, kus alleelisagedused samastuvad genotüüpide sagedusegajärglastel
9.4. Loodusliku valiku teooria
Looduslik valik on põhiline jõud, mis muudab alleelide sagedust populatsioonis ja viib liikide evolutsioneerumisele. Keskkonna muutudes muutub populatsiooni geneetiline koostis. Populatsioonis sünnib rohkem järglasi, kui keskkond võimaldab ning seega osa isendeid hukkub. Kuna järglaskond on geneetiliselt heterogeenne, mis avaldub nende fenotüübilises erinevuses, on osal järglaskonnast suuremad eeldused ellu jääda ning paljuneda kui teistel. Seega suureneb populatsioonis edukamate genotüüpide osakaal ning väheneb vähemedukamate oma. Vastavat protsessi nimetatakse looduslikuks valikuks . Looduslik valik on looduses toimuv protsess, mis seisneb kohasemate geneetiliste variantide edukamas üleelamises ja paljunemises ning vähemkohaste variantide eliminatsioonis antud ökoloogilistes tingimustes.
Loodusliku valiku tähtis komponent on kohasus (ingl. k. fitness ) w, mis iseloomustab indiviidi võimet oma geene järglaskonda edasi kanda. Kohasuse väärtuse leidmiseks võrreldakse indiviidi järglaste arvu populatsiooni keskmisega. Mida suurem on kohasuse väärtus, seda suuremad on organismi reproduktsiooni võimed.
Oletame, et meil on tegemist kolme genotüübiga AA, Aa ja aa. A on dominantne alleel ning genotüüp aa põhjustab steriilsust. Kuidas muutub sel juhul nende alleelide A ja a sagedus populatsioonis? Erinevatele genotüüpidele rakendub erinev selektiivne surve (selective pressure) s. sA- = 0 ning saa = 1,0. Selektiivne surve s varieerub nullist üheni. Kohasus w varieerub samas vahemikus. Nende omavaheline suhe on vastandlik:
w = 1 – s
Kuna selektiivne surve s genotüübi aa suhtes on 1.0, siis on aa kohasuse väärtus võrdne nulliga. Kuna variantide AA ja Aa suhtes selektiivne surve puudub, siis nende puhul on w väärtus võrdne ühega (1,0). Korrutades iga genotüübi sageduse nende kohasusega, saame arvutada genotüüpide sageduse järgmises põlvkonnas.
Kui algselt on mõlema alleeli sagedus 1/2, on genotüüpide esindatus, lähtudes Hardy-Weinbergi valemist, järgmine:
¼ AA (1,0) : ½ Aa (1,0) : ¼ aa (0,0)
Kuna järglaskonda annavad ainult AA ja Aa isendid, siis on erinevat tüüpi vanemate osalus vastavalt 1/3 ja 2/3. See leitakse, jagades AA ja Aa sagedused ¼ ja ½ AA ning Aa esinemissageduste summaga ¾.
Järglaskonda sattuvate alleelide sagedus leitakse järglaskonda andvate genotüüpide sagedusest
alleeli A jaoks: 1/3 + (1/2) (2/3) = 2/3
alleeli a jaoks: (1/2) (2/3) = 1/3
Kui ristumine toimub vabalt, on erinevate genotüüpide sagedus järglaskonnas, kasutades jällegi Hardy-Weibergi valemit, järgmine:
AA - (2/3)2 = 4/9
Aa - 2 (2/3) (1/3) = 4/9
aa - (1/3)2 = 1/9
Pärast ühte generatsiooni on alleeli A sagedus suurenenud sageduselt 1/2 sagedusele 2/3 ning alleeli a sagedus langenud sageduselt ½ sagedusele 1/3. Et leida nende alleelide esinemissagedus järgmises generatsioonis, kordame eelpool teostatud protseduuri, arvestades jällegi, et genotüüp aa järglasi ei anna.
Genotüüpide suhe, näidates nende sobivuse väärtust, on esitatud järgmiselt:
4/9 AA (1,0) : 4/9 Aa (1,0) : 1/9 aa (0,0)
Nii genotüübi AA kui ka Aa osalus järglaste andmisel on 4/9 : 8/9 = ½
Alleeli A sagedus järgmises generatsioonis on ½ + ½ (1/2) = ¾ = 0,75
Alleeli a sagedus järgmises generatsioonis on ½ (1/2) = ¼ = 0,25
Nagu näeme, on alleeli A sagedus kasvanud algselt sageduselt ½ sagedusele 3/4 ning alleeli a sagedus langenud algselt sageduselt ½ sagedusele ¼.
Teades alleelisagedusi, võime arvutada ka kolme erineva genotüübi sageduse järglaskonnas jne. jne. jne., kuni teatud arvu põlvkondade järel alleel a kaob populatsioonist. Konkreetne näide oli äärmuslik ning sobib kirjeldama olukordi , kus teatava genotüübiga indiviidid ei ela nii kaua, et jõuaksid paljunemisikka (näiteks Tay- Sachs tõbi, Lesch Nyhani sündroom ning Duchenne lihasdüstroofia inimesel) või on vastavad indiviidid steriilsed. Enamasti ei ole aga ühegi genotüübi kohasuse väärtus w täiesti null ning selektiivne surve s väärtus üks.
Selektiivse surve väärtus varieerub erinevate genotüüpide puhul nullist üheni. Mida tugevam on selektiivne surve teatava alleelse kombinatsiooniga genotüübi suhtes, seda kiiremini kaob kahjulik alleel populatsioonist.
Kuna erinevate geenide erinevatele alleelidele on neile rakenduv selektiivne surve erinev, siis nende geenide aheldumise korral ei pruugi kahjulik alleel populatsioonist elimineeruda. Seda on kirjeldatud näiteks tsüstilise fibroosi korral, kus teatav alleel püsib kaukasoidses populatsioonis heterosügootses olekus kõrgema sagedusega, kui seda eeldati. Eeldatavast kõrgemat sagedust aitab selgitada nn. “pöidlaküüdi efekt” (“hitch hiker effect”), mille alusel on vastav alleel tugevalt aheldunud teise geeni alleeliga, millel on ülejäänute suhtes selektiivsed eelised.
9.5. Loodusliku valiku kaks vormid ja viisid
• Esimese vormi puhul püüab organism jääda ellu ja saada järglasi kindlates keskkonna füüsikalistes tingimustes, puudub konkurentsivõitlus teiste
populatsiooni isenditega. Sellist looduslikku valikut nimetatakse sagedusest sõltumatuks valikuks. Ka vastava fenotüübi kohasuse väärtus on sel juhul
sagedusest sõltumatu.
• Sagedusest sõltuva valiku puhul konkureerivad organismid omavahel. Konkureeriva fenotüübi sagedus populatsioonis määrab selle fenotüübi kohasuse
väärtuse ning see väärtus muutub, kui antud fenotüübi sagedus populatsioonis muutub.
9.7. Kõrvalekalded vabast ristumisest
Kui ristumine populatsiooni siseselt ei toimu vabalt, on genotüüpide sagedus järglaskonnas teistsugune, kui seda kirjeldab Hardy-Weinbergi valem. Populatsioonisisese vaba ristumise piirangud võivad viia inbriidingule, mille kõige äärmuslikum võimalus on iseviljastumine . Inbriidingu tulemusena jääb alleelide sagedus populatsioonis küll samaks, kuid muutub genotüüpide sagedus. Veresuguluses olevate indiviidide (õed-vennad, vanemad-lapsed, onu/tädipojad-onu/täditütred) järglaste homosügootsuse aste tõuseb ja väheneb heterosügootsuse aste. Inbriidingu tulemusena võivad homosügootsesse olekusse sattuda ka muidu harva esinevad geneetilisi haigusi põhjustavad retsessiivsed alleelid. Näiteks kseroderma pigmentosum, mida põhjustab harvaesinev autosoomne retsessiivne DNA reparatsiooni defekt, on kirjeldatud enam kui 20% juhtudest, kus omavahel on abiellunud esimese astme nõod. Albinismi sagedus varieerub 1:10000 Põhja-Euroopas kuni 1: 30000 Lõuna-Euroopas, kuid USA-s Arizona osariigis elavatel Hopi indiaanlastel esineb albinism sagedusega 1:200. Hopi indiaanlaste populatsioon on suhteliselt isoleeritud ning seal on sageli sugulastevahelisi abielusid. Kuna maapind on seal kehv, asuvad põllud, kus mehed töötavad, sageli küladest kaugel. Albiinod mehed ei talu pikki tunde päikese käes viibimist ja jäetakse seetõttu naistele-lastele appi koduseid töid tegema. Nii juhtub, et sel ajal, kui teised mehed end põllul oimetuks töötavad, on külas olevatel meestel rohkem võimalusi isaks saada.
Üleüldine risk saada sugulusabielude korral haige laps pole nii suur, kui seda vahel ette kujutatakse. Näiteks, kui omavahel abielluvad esimese astme nõod, on risk võrreldes mittesuguslusabieludega ainult kaks korda suurem.
9.8. Molekulaarne evolutsioon
Darwini evolutsioonteooria mõjul oleme vististi liiga kindlad tõekspidamises, et kuivõrd looduslik valik toimub fenotüüpidele, siis on fenotüübilised tunnused evolutsioonilises tähenduses eelkõige komplekssed (kvantitatiivsed) tunnused. Evolutsiooniline tähtsus on küllalt sageli ka vaid ühe geeni üksikutel uutel mutantsetel allelidel.
Evolutsiooniliselt realiseerunud muutused peavad olema populatsioonigeneetiliste mehhanismidega kinnistunud ja pärilikult edasi kandunud ning nad peavad olema esindatud kaasaegsete organismide pärilikus informatsioonis ehk nende nukleiinhapete järjestustes.
9.9. Evolutsiooni neutraalne teooria
Neutraalne evolutsiooniteooria põhineb eeldusel , et populatsioonides kogunevad mutatsioonid adaptiivselt neutraalsetesse genomiosadesse tänu geenitriivi esinemise.
9.10. Molekulaarsed kellad
Neutraalne evolutsiooniteoria eeldab ka n.n. „molekulaarsete kellade “ olemasolu evoutsioonis
• Arendatud eelkõige Allan Wilsoni poolt Berkeleys
• Kuna mutatsioonid on regulaarsed ja valik ei mõjuta molekulide divergentsi, siis DNA ja valgu divergentsi kiirused eri liinides on regulaarsed. Mida rohkem aega
on kulunud kahe liigi eristumisele ühisest eellasest , seda rohkem eristuvad antud valgu või DNA järjestused
• See suhe peab olema lineaarne ja konstantne
Tempo= geneetiliste erinevuste arv / 2 x divergentsi aeg A ja B vahe
Erinevad polüpeptiidid evolutsioneeruvad erineva kiirusega. α globiini (141 a.a.) homolooge esineb haidest inimeseni. Inimese ja karpkala ühine eellane elas umbes 400 miljonit aastat tagasi. Aeg T, mis on kulunud nende kahe eristumiseks, on ca 800 milj. a.
Võrreldes nende liikide α globiine, siis a.a. järjestusesse on tekkinud 68 muutust. Erinevus D on 68/141 = 0,482 muutust aminohappe kohta. Seega on valk 800 milj. aasta jooksul evolutsioneerunud kiirusega 0,6 x 10-9 asendust aasta kohta. Võimalik, et mõned aminohapped on asendunud mitu korda.
Korrektuuride sissetoomisel jääb evolutsioneerumise kiiruse väärtuseks üks asendus miljardi aasta kohta.
10. Liikide tekkimine
10.1. Geneetiline muutlikkus looduslikes populatsioonides
Populatsioonisiseselt on kõik isendid üksteisest mõnevõrra fenotüübiliselt erinevad. Inimesed erinevad üksteisest näiteks kaalult, kasvult, naha värvuselt, juuste värvuselt, silmade värvuselt ning paljude teiste tunnuste poolest.
10.2. Muutlikkuse klassikaline ja tasakaalustatud mudel
Populatsiooni geneetilise struktuuri kirjeldamiseks on loodud kaks mudelit. Klassikalise mudeli põhjal on metsiktüüpi alleeli esinemissagedus peaaegu 100%. Mutantsed alleelid on üldjuhul kahjulikud ning esinevad populatsioonis väga madala sagedusega, kuna need elimineeritakse sealt kiiresti. Mõned mutatsioonid võivad siiski olla ligilähedaselt neutraalsed, omamata erilist efekti isendi kohasusele. Sellise mutantse alleeli osakaal võib populatsioonis ajajooksul geenitriivi tulemusena kasvada, nii et mutantne alleel muutub populatsioonis tavaliseks.
Muutlikkuse tasakaalustatud mudeli põhjal esinevad populatsioonis kõrge sagedusega sama geeni erinevad alleelid. Nende säilumine populatsioonis toimub heterosügootide eelistamise kaudu tasakaalustatud valiku teel. Sel juhul on raske ühtegi neist alleelidest teistest normaalsemaks pidada, kuna antud keskkonnatingimustes elavate isendite puhul toimivad nad kõik enamvähem võrdse edukusega.
10.3. Geneetiline muutlikkus molekulaarsel tasemel
Looduslikes populatsioonides esinev fenotüübiline muutlikkus ei kajasta alati populatsioonides esinevat geneetilist muutlikkust. Selleks, et määrata geneetilise muutlikkuse osa kogu muutlikkuses, analüüsitakse juhuslikult valitud geenide alleelset varieeruvust. Mutatsioonid konkreetses geenis ning sellest tulenevad muudatused polüpeptiidi aminohappelises järjestuses on tuvastatavad mutantsete polüpeptiidide erineva liikuvuse kaudu geelelektroforeesil. Uuritavate polüpeptiidide asukoht geelis tuvastatakse kas nendele polüpeptiididele iseloomulike ensüümreaktsioonide teel (juhul, kui reaktsiooni tulemusena tekib geelis eristatav värviline produkt ) või uuritavate polüpeptiidide vastaste antikehade abil.
Ka inimese ensüümide puhul on kirjeldatud ulatuslik polümorfism. Näiteks 24-st oksüdoreduktaaside lookusest on 7 polümorfsed, transferaaside 29-st lookusest aga 10 (vt. Tabel 28.2).
Valkude analüüs geelelektroforeesil ei võimalda tuvastada kõiki mutatsioone. Mõnede alleelide puhul võivad mutatsioonid olla toimunud hoopis väljapool polüpeptiidi kodeerivat ala, näiteks intronis, promootoralas või kodeerivatest järjestustest tahapoole jäävates alades. Samuti võib mutatsioon kodeerivas järjestuses muuta ainult koodoni viimast nukleotiidi, kuid mõlemal juhul kodeerivad koodonid sama aminohapet (näiteks UUA ja UUG kodeerivad mõlemad leutsiini); või siis toimub ühe aminohappe asendumine teisega, millel on eelmisega võrreldes sama laeng (näiteks valiini asendumine alaniiniga).
Muutusi DNA järjestuses kirjeldab näiteks restriktsioonifragmentide pikkuse polümorfism RFLP (restriction fragment- length polymorfism). Restriktaasid lõikavad DNA-d kindlatest järjestustest ning DNA molekuli lõikamise tulemusena tekivad erineva pikkusega DNA fragmendid , mida on võimalik geelelektroforeesil üksteisest lahutada. Kui mõnes ensüümi lõikamiskohas on toimunud muutus, ei lõika ensüüm sealt ning sel juhul tekivad võrreldes algse DNA lõikusega erineva pikkusega DNA fragmendid. RFLP analüüsi kasutatakse näiteks inimese neljandas kromosoomis asuva Huntingtoni tõve põhjustava alleeli läheduses paikneva lookuse D4S10 (funktsioon teadmata) uurimisel . DS410 on polümorfne restriktaasi HindIII lõikekohtade suhtes. Sellel lookusel on kirjeldatud neli erinevat HindIII poolt tekitatud fragmentide mustrit. Iga muster vastab ühele haplotüübile (alleeli sünonüüm), seega on üksteisest eristatavad haplotüübid A, B, C ja D. Kuna homoloogilisi kromosoome on kaks, on igal indiviidil neist kaks haplotüüpi, mis kombineeruvad kümnel erineval viisil AA, BB, CC, DD, AB, AC jne.
Mutatsioone DNA järjestuses on tuvastatud ka Huntingtoni tõbe põhjustava HD alleeli puhul. Huntingtoni tõbi on neurodegeneratiivne surmaga lõppev haigus, mis on põhjustatud geeni HD 5’ otsas asuvate CAG järjestuste amplifikatsioonist. 17-st teadaolevast HD alleelist 11-l esineb CAG järjestus 11 kuni 34 kordusena. Haigust põhjustava alleeli korral esineb järjestus CAG kuni 100 korduses.
Valkude aminohappelise järjestuse ja DNA nukleotiidse järjestuse võrdlustest saadud andmete põhjal on selgunud , et organismide liigisisene alleelne varieeruvus on suur. Geneetilise muutlikkuse säilumise eest populatsioonis vastutavad nii tasakaalustatud valik kui ka neutraalsete või peaaegu neutraalsete mutatsioonide korduv tekkimine.
10.4. Liigi kontseptsioon
• Liigi bioloogiline kontseptsioon (biological species concept , BSO 1937) defineerib liike kui erinevaid organismide gruppe ( populatsioone ), kus ristumine toimub ainult gruppisiseselt, gruppide vahel esinevad ristumisbarjäärid. Liikide puhul kehtivad
populatsioonigeneetika seaduspärasused. Probleemiks aseksuaalsed liigid (Aspergillus, võilill, hübriidid, prokarüoodid ja viirused .
• Liigi fülogeneetiline kontseptsioon (Phylogenetic species concept, PSC 1983) vaatleb liike kui monofüleetilisi gruppe, kui individuaalsete organismide vähimaid gruppe, milles esineb omavaheline esivanemate ja järglaste vaheline suhe.
10.5. Liikidevaheline ristumisbarjäär
Erinevatesse liikidesse kuuluvate isendite vaheline ristumisbarjäär on tagatud kahe mehhanismiga.
Presügootilise isolatsiooni mehhanismi teel on takistatud erinevatesse liikidesse kuuluvate isendite paaritumine ning seega hübriidsete järglaste saamine. Isolatsioon võib toimida erinevatel viisidel :
1) ökoloogiline isolatsioon – populatsioonid asustavad erinevaid elukeskkondi ega puutu kokku;
2) ajaline isolatsioon – loomade paaritumise või taimede õitsemise ajad on erinevad;
3) käitumuslik isolatsioon – erinevatesse liikidesse kuuluvate isendite vahel puudub külgetõmme, pulmarituaalid on erinevad;
4) isolatsioon erinevate tolmuterade edasikandjate tõttu – esineb taimedel;
5) isolatsioon sugurakkude sobimatuse tõttu.
Postsügootilise isolatsiooni mehhanismi toimel on hübriidne järglaskond vähese eluvõimega või steriilne, takistades sellega hübriidide paljunemist.
Tavaliselt toimivad liikidevahelises isolatsioonis mõlemad mehhanismid kombineeritult.
10.6. Liikide tekkimise erinevad viisid
Uute liikide tekkimine võib toimuda väga erinevalt. Järgnevalt peatume neljal põhilisel viisil.
Allopatriline liigiteke.
Populatsioonisisene diferentseerumine leiab aset siis, kui muutuvad elukeskkonna füüsikalised või biootilised faktorid . Tegemist on astmelise protsessiga. Populatsiooni alaosades akumuleeruvad erinevad mutatsioonid, tekivad rassid , mis on kohastunud erinevate keskkonnatingimustega. Igale rassile on iseloomulik kindel alleelide muster. Samas võivad erinevatesse rassidesse kuuluvad isendid ristuda . Mida aeg edasi, seda enam alampopulatsioonid eristuvad, asustades erinevaid geograafilisi piirkondi. Põhimõtteliselt võib ka siis veel toimuda omavaheline ristumine. Kui aga populatsioonidevahelised geneetilised erinevused veelgi suurenevad, võib erinevatesse populatsioonidesse kuuluvate isendite vahele tekkida ristumisbarjäär ning see viitab juba uute liikide tekkele. Isegi siis, kui populatsioone varem eraldanud geograafilised barjäärid edaspidi kaovad, jäävad need populatsioonid (liigid) paljunemise seisukohalt isoleerituks. Juhul, kui uued liigid satuvad asustama jällegi ühist territooriumi, suureneb nendevaheline konkurents ning loodusliku valiku surve tugevneb. See omakorda võimendab liikidevahelist diferentseerumist.
Geograafilisest isolatsioonist põhjustatud populatsioonide eristumise kohta on palju näiteid. Näiteks Suures Kanjonis põhja- ja lõunakallast asustavad oravapopulatsioonid on fenotüübiliselt erinevad – põhjapoolse populatsiooni isendid on tumedama karvaga ja laiema sabaga . Kahe uue liigi tekkimine pole siiski veel lõpule jõudnud, sest erinevatesse populatsioonidesse kuuluvad isendid on võimelised veel, kuigi väga harva, eluvõimelisi ja sigimisvõimelisi järglasi andma. Seni on tegemist kahe alamliigiga Sciurus aberti aberti ja Sciurus aberti kaibabensis.
Sümpatriline liigiteke.
Sümpatriline liigiteke ei eelda , et uueks liigiks kujunev populatsiooni alaosa oleks ülejäänud populatsioonist geograafiliselt eraldatud. See muudab selle teooria vastuoluliseks, kuna geograafilist isolatsiooni ei saa kunagi täielikult välistada. Populatsiooni ühes osas tekkinud unikaalsed mutatsioonid levivad teatavat ökoloogilist keskkonda asustavate isendite vahel. Geneetiliste erinevuste akumuleerumisel selles ökoloogilises tsoonis väheneb ristumine teisi elupaiku asustavate isenditega, mis soodustab geneetilist divergeerumist, kuni moodustub uus liik, mis on paljunemise seisukohalt emapopulatsioonist täielikult isoleeritud.
Sümpatrilise liigitekke näiteks tuuakse Põhja-Ameerikat asustavat kahte kärbseliiki Chrüsoperla carnea ja C. downesi. Nende kehavärvus on seotud käitumuslike eelistustega. C. carnea on kevadel ja suve algul heleroheline ja muutub sügise saabudes pruuniks . Selle liigi isendid asustavad kevadel rohttaimi, sügisel elutsevad nad aga värvimuutvatel lehtpuudel. C. downesi on tumeroheline ning tema levikuala on seotud igihaljaste puudega. Puuduvad tõendid, et need kaks liiki oleksid kunagi üksteisest geograafiliselt eraldatud olnud. Samas on nende paljunemise isolatsioon põhjustatud erinevatel aastaaegadel toimuvast paljunemistsüklist ning erinevatest käitumuslikest eelistustest . C. carnea paaritub talvel ja suvel, C. downesi aga ainult kevadel. Kui nende kahe liigi isendid laboris kunstlikult kokku viia (paaritumistsükli aja määrab valge ja pimeda aja suhe), saadakse hübriidsed järglased, kes on fertiilsed. Kärbeste värvust kontrollivad ühe geeni kaks alleeli. G1G1 isendid on helerohelised, värvudes hiljem pruuniks, G2G2 isendid aga tumerohelised. Vahepealne fenotüüp, mis avaldub alleelide G1G2 korral, looduses ei esine. See kinnitab, et nende liikide vahelist ristumist nende looduslikus elukeskkonnas ei toimu. Paaritumistsükli suvel ja talvel toimumist kontrollib dominantne alleel, mõlema retsessiivse alleeli puhul on tsükkel kevadine. Arvatakse, et algtõuke nende liikide kujunemiseks andis polümorfismi tekkimine keha värvust kontrollivas lookuses. G1G1 homosügoodid olid paremini kohanenud eluks rohurindes ja lehtpuudel, G2G2 homosügoodid aga okaspuudel. Samas olid vahepealse värvusega heterosügoodid ümbritseva elukeskkonnaga vähem kohanenud. Seega toimis populatsioonile lõhestav valik, mis eelistas sama värvusega isendite ristumist omavahel ning soodustas kahe alampopulatsiooni geneetilist eristumist. Lõhestava valiku käigus kujunesid välja ka erinevalt ajastatud paljunemistsüklid.
Parapatriline liigiteke.
Parapatriline liigiteke on kiire protsess ning selles osaleb vähe isendeid, sageli on nad populatsiooni äärealadelt. See liigitekke viis ei eelda geograafilist eraldatust. Isolatsioon paljunemises tekib tänu kromosoomides toimunud struktuursetele ümberkorraldustele, mis takistavad ümberkorraldusi sisaldavate kromosoomide paardumist meioosiprotsessis homoloogiliste kromosoomidega, mis neid muutusi ei sisalda ning kromosoomide lahknemist.
Parapatrilise liigitekke tulemusena on kujunenud neli pimeroti Spalax alamliiki, kes asustavad praegu erinevaid piirkondi Iisraelis. Pimerotid on väheliikuvad ja jäävad oma uru lähedale ka öösel toitu otsides. Igale alamliigile on iseloomulik teatav kromosoomide arv. Kahel põhjas elaval alamliigil on vastavalt 52 ja 54 kromosoomi, Iisraeli keskosa asustaval alamliigil 58 kromosoomi ja lõunas elaval alamliigil 60 kromosoomi. Laboritingimustes on püütud saada ka hübriidseid järglasi, kuid nende eluvõime on väiksem. Tavaliselt on järglased steriilsed. Seega võiks neid alamliike käsitleda ka eraldi liikidena. Arvatakse, et nad said alguse ühisest eellasest Spalax mimtus, kes elutses selles piirkonnas 500000 aastat tagasi (leitud on selle eellase fossiile). Neutraalse väärtusega ümberkorraldused kromosoomides toimusid üksikutel isenditel, kuid isoleerisid nad ülejäänud populatsioonist. Isolatsioonile ja edasisele divergeerumisele aitas kaasa ka suhteliselt paikne eluviis.
Liigiteke populatsiooni väikeste alaosade eraldumise teel (quantum specification).
Väike rühm isendeid eraldub algsest populatsioonist, asustades uut elukeskkonda. Kuna nad on emapopulatsioonist isoleeritud, ei toimu populatsioonide vahel geneetilise informatsiooni vahetust. See väike rühm võib eraldatuse tõttu veelgi kokku kuivada ning lõpuks jäävad eraldunud gruppi esindama üksikud, populatsioonile ebatüüpilised isendid. Eraldunud populatsiooni taastumisel selekteeruvad loodusliku valiku tulemusena välja isendid, kes erinevad oma genotüübilt algsest populatsioonist sel määral, et nendevaheline ristumine on takistatud. Sellist liigitekke viisi sobib illustreerima uute Drosophila liikide moodustumine üksikute isendite sattumisel uutele saartele Havai saarestikus. Erinevalt allopatrilisest liigitekkest, mis on järk-järguline ja pikaajaline protsess ning kus määravaks on looduslik valik, toimub siinkäsitletud protsess väga kiiresti, juba väheste põlvkondade vältel ning olulist rolli mängib siin juhus .
10.7. Evolutsioon molekulaarsel tasemel
Mutatsioonid DNA kodeerivas järjestuses kajastuvad enamasti valkude aminohappelises järjestuses. Erinevatesse liikidesse kuuluvate isendite polüpeptiidides toimunud muutuste analüüs võimaldab hinnata evolutsioonilisi sündmusi. Mida kaugemad liigid, seda enam on muutusi. Erinevad polüpeptiidid evolutsioneeruvad erineva kiirusega. a globiini homolooge on leitud haidest inimeseni. Kõige rohkem erinebki inimese a globiin haide omast. Valk on 141 aminohappe pikkune . Inimese ja karpkala ühine eellane eksisteeris umbes 400 miljonit aastat tagasi. Aeg T, mis on kulunud nende kahe eristumiseks, on topeltpikk – 800 miljonit aastat. Kui võrrelda karpkala ja inimese a globiine, siis nende aminohappelisesse järjestusesse selle aja vältel tekkinud 68 muutust. Erinevus D on 68/141 = 0,482 muutust aminohappe kohta. Seega on valk 800 miljoni aasta jooksul evolutsioneerunud kiirusega 0,6 x 10-9 asendust aasta kohta. Põhimõtteliselt on võimalik, et mõned aminohapped on asendunud mitu korda. Korrektuuride sissetoomisel jääb evolutsioneerumise kiiruse väärtuseks üks asendus miljardi aasta kohta.
Fibrinopeptiidides on muutused võrreldes a globiiniga toimunud kaheksa korda kiiremini, histoonide puhul aga tuhat korda aeglasemalt. Miks on see nii? Motoo Kimura neutralistliku teooria põhjal on muudatused polüpeptiidide aminohappelises järjestuses leidnud aset neutraalsete või peaaegu neutraalsete mutatsioonide juhusliku fikseerumise tulemusena erinevate liikide genoomi. Muutused polüpeptiidi teatavatesse piirkondadesse ei ole lubatud. Näiteks aktiivtsentri rikkumisel kaob valgu funktsioon. Mida rohkem on polüpeptiidis selliseid aminohappeid , mille asendamine viib valgu funktsioonide kadumisele, seda vähem neutraalseid aminohappelisi asendusi me tuvastame. Võrreldes fibrinopeptiididega on histoonidel selliseid piirkondi, mis peavad püsima konstantsena, tunduvalt enam.
Molekulaarse evolutsiooni neutralistlik teooria ei arvesta seda, et mõned mutatsioonid võivad olla organismile kasulikud. Neutralistliku teooria põhjal saab valik toimida ainult kahjulike variantide kõrvaldamise kaudu. Erinevalt sünteetilisest evolutsiooniteooriast on kõrvale jäetud darvinistlik positiivne valik.
Inimese ja shimpansi vaheliste erinevuste analüüs.
Inimese ja shimpansi kromosoomide struktuuri võrdlus näitab, et shimpans on inimesele evolutsiooniliselt kõige lähedasem liik. Sama kinnitab ka molekulaarne analüüs. Inimese ja shimpansi välised tunnused (anatoomia, füsioloogia, käitumine ja ökoloogia) erinevad märksa enam, kui seda võiks eeldada nende valkude sarnasuse põhjal, mis näitab, et valgud on 99% ulatuses identsed (7,2 muutust 1000 aminohappe kohta). DNA järjestuste võrdlusest (peamiselt on kasutatud DNA hübridisatsiooni katseid) selgus et 3000 DNA aluspaari kohta tuleb keskmiselt 33 erinevust, mis on mõnevõrra suurem aminohappelisest erinevusest. See vahe tuleb sellest, et kõik muutused DNA primaarjärjestuses ei kajastu polüpeptiidide aminohappelises järjestuses, kuna osa muutusi leiavad aset regulatoorsetes DNA järjestustes või intronites, mis paiknevad kodeerivatest aladest väljas. Samuti tuleb arvestada geneetilise koodi kõdumist (nukleotiidi asendus koodoni viimases positsioonis ei muuda tavaliselt tema kodeerimisvõimet). Arvatakse, et inimese ja shimpansi väliste tunnuste suur erinevus on põhjustatud eeskätt sellest, et kromosomaalsete inversioonide ja translokatsioonide tulemusena muutunud geenide asukoht muutis nende geenide regulatsiooni ja avaldumise taset.
Inimese evolutsiooniline ajalugu.
Homo erectus rändas Aafrikast Euroopasse üle miljoni aasta tagasi. See populatsioon asendus teise väljarände tulemusena Aafrikast seal 150 tuhat aastat tagasi tekkinud kaasaegse inimese poolt. Inimese evolutsiooni kohta on kogutud hulgaliselt andmeid tänu mitokondriaalse DNA analüüsile. Mitokondritel on oma genoom , mille pikkus on 16569 aluspaari ning see kodeerib 37 geeni. Võrreldes tuuma DNA-ga muteerub mitokondriaalne DNA ( mtDNA ) 10 korda kiiremini ja see võimaldab uurida evolutsioonilisi sündmusi, mis on toimunud suhteliselt hiljuti ning lühema aja vältel. mtDNA kandub edasi ainult emaliini pidi. Isa mitokondrid paiknevad seemneraku sabas ja varustavad rakku energiaga. Kuna seemnerakus on aga väga vähe tsütoplasmat, siis on isa mitokondrite sattumise tõenäosus viljastatud munarakku väga väike. Seega võimaldab mtDNA järjestuse analüüs uurida inimpopulatsioonide päritolu emaliini pidi.
11. Geeni definitsioon
11.1 Geenikontseptsioonid
Geneetikutele on geen sama, mis keemikutele aatom. Teisalt, geeni mõiste on olnud pidevas muutumises ja evolutsioonis , sõltudes uutest teadusvastusest, ning kõik viitab asjaolule, et see protsess ka jätkub.
Mendel ei kasutanud tunnuste pärandumisseadusi selgitades terminit “geen”. Mendeli järgi kontrollisid spetsiifilisi fenotüübilisi tunnuseid nagu näiteks õite värvus “tunnusmärgid” (characters) ja “üksust määravad tegurid” (unit factors) – lihtsam oleks siin edaspidi jääda kasutama terminit “faktor“.
Garrod: üks mutantne geen – üks metaboolne blokk .
Beadle ja Tatum : üks geen – üks ensüüm.
Üks geen – üks polüpeptiid.
11.2. Funktsionaalne geenikontseptsioon
Geeni kui jagmatu üksuse kontseptsiooni alusel on geen funktsionaalse üksusena see, mis määrab fenotüübilise tunnuse või osatunnuse.
11.3. Garrod: üks geen, üks metaboolne blokk
Kui 20-nda sajandi algul taasavastati Mendeli tööd, võeti kasutusele ka termin “geen”. Inglise arst Garrod uuris inimestel mitmeid päritavaid haigusi, ning tema oli ka esimene, kes täheldas, et retsessiivsete mutantsete alleelide sattumine homosügootsesse olekusse põhjustab metaboolseid defekte. Sellest tulenevalt tõi ta välja seaduspärasuse: üks mutantne geen – üks metaboolne blokk. Üks haigustest , mida Garrod uuris, oli alkaptonuuria. Alkaptonuuria puhul värvub haigete uriin õhuga kokkupuutel mustaks. Musta värvuse andjaks on uriini kogunenud homogentisiinhape (alkaptoon) ning Garrod arvas , et selle aine kogunemist haigete organismi põhjustab metaboolne blokk homogentisiini metabolismirajas. Hiljem selgus, et metaboolne blokk oli tingitud homogentisiinhappe oksüdaasi puudumisest haigetel . Alkatonuuria oli esimene haigus, mille puhul ilmnes , et seda põhjustab retsessiivne mutatsioon ühes geenis.
11.4 Beadle ja Tatum: üks geen, üks polüpeptiid
Ligi 40 aastat hiljem arendasid Beadle ja Tatum geeni kontseptsiooni edasi: üks geen – üks ensüüm. Beadle ja Efrussi olid uurinud mutatsioone, mis põhjustasid muutusi äädikakärbse silma värvuses ja järeldasid, et pigmenti tagavad ensüümid võiksid olla geneetiliselt determineeritud. Nendest tulemustest inspireeritult katsetasid Beadle ja Tatum hallitusseenega Neurospora grassa. See seen oli võimeline kasvama minimalsöötmel, mis sisaldas ainult anorgaanilisi sooli, ühte süsinikuallikat ja biotiini, kuna suutis sünteesida kõiki kasvuks vajalikke komponente (aminohappeid, puriine, pürimidiine ja vittamiine peale biotiini). Juhul, kui biosünteesirajad nende komponentide sünteesiks on geneetiliselt kontrollitud, peaksid mutatsioonid geenides võimaldama isoleerida auksotroofseid mutante, kes vajavad kasvukeskkonda neid komponente, mida nad ise pole mutatsiooni tõttu suutelised sünteesima. Teadlased kiiritasid seene spoore röntgenkiirtega ja UV-kiirgusega, mis põhjustavad mutatsioone ja saidki mutante, kes vajasid kasvukeskkonda teatud komponenti (kas mõnda aminohapet, vitamiini või nukleotiidi). Kombineerides geneetilist analüüsi biokeemiliste uuringutega ilmnes, et paljudel juhtudel seostus uuritav mutatsioon teatava ensüümi inaktiivsusega. 1958. aastal said Beadle ja Tatum seose “üks geen – üks ensüüm” väljaselgitamise eest Nobeli preemia. Hiljem muutus see kontseptsioon molekulaargeneetika keskseks seisukohaks.
11.5. Strukturaalne geenikontseptsioon
Kuni 1940-ndate aastateni käsitleti geeni kui jagamatut üksust: rekombinatsioon toimub geenide vahel, kuid mitte geenide siseselt. Samuti peeti geeni kõige väiksemaks üksuseks, kus saab tekkida mutatsioon. Hiljem leiti, et geneetilise materjali kõige väiksem üksus, mida ei saa enam mutatsioonide ega rekombinatsiooni teel väiksemateks alaosadeks jaotada, on nukleotiidipaar geenis. 1940-ndal aastal avaldas Oliver tulemused katsetest äädikakärbse mutantidega, kus geneetiliste katsete kaudu näidati, et kaks erinevat mutatsiooni olid tekkinud sama geeni erinevatesse asukohtadesse, mistõttu neid tähistati kahe erineva alleelina. Erinevaid mutantseid alleele lzs ja lzg kandvad isendid olid ühesuguse fenotüübiga ning kui korraga mõlemat alleeli lzs ja lzg kandvaid isendeid ristati kas ainult aalleli lzs või lzg kandvate isenditega, saadi 0.2% metsiktüüpi järglasi. Geneetiliste katsete abil välistati, et need kaks uuritavat mutatsiooni võiksid paikneda erinevates lookustes (geenides).
11.6. Geenisisene rekombinatsioon
Geeni peenstruktuuri mõistmisele aitasid kaasa ka katsed bakteriofaagide mutantidega, kus kaardistati mutatsioonide asukohti geenis. Just nendest katsetest selgus, et rekombinatsioon võib toimuda ka kõrvutiasuvate nukleotiidide vahel. Benzer viis läbi katseid bakteriofaagiga T4 ning identifitseeris erinevaid
mutantseid faage ristates ja saadud rekombinante analüüsides T4 geenis rIIA 199 erinevat mutatsiooni.
Rekombinatsiooni kahe külgneva nukleotiidi vahel näidati esmalt Yanofsky töödes, kus oli uuritud E. coli trüptofaani süntetaasi α-polüpeptiidi kodeeriva geeni trpA mutatsioone. Erinevaid mutante iseloomustati valgu aminohappelise järjestuse kaudu. Kõigepealt kaardistati mutatsioonide asukoht geneetiliste katsete
abil, kus ristati erinevaid mutante ja identifitseeriti üksteisele kõige lähemal paiknevad mutatsioonid, mille puhul oli võimalik veel rekombinatsiooni abil metsiktüüpi järglasi saada. Nende mutantide puhul määrati ka mutantsete polüpeptiidide aminohappeline järjestus. Yanofsky ja kaastöötajad leidsid, et rekombinatsioon toimus ka selliste mutantide puhul, mille valgu aminohappelises järjestuses oli sama positsiooni aminohape asendunud erinevate aminohapetega: näiteks polüpeptiidi 211-s aminohape glütsiin oli asendunud ühes mutandis arginiiniga ja teise glutamiinhappega. Glütsiini koodonis GGA olid tekkinud asendusmutatsioonid koodoni esimeses ja teises positsioonis: mõlemal juhul G:C → A:T transitsioonid), mis tekitasid koodonid AGA ( arginiin ) ja GAA (glutamiinhape).
11.7. Geeni geneetiline definitsioon
Selleks, et testida, kas erinevad mutatsioonid paiknevad samas või erinevates geenides, rakendatakse komplementatsiooni teste . Kui kaks mutatsiooni asuvad samas kromosoomis, on nad cis-konfiguratsioonis (cis-asendis). Vastavat heterosügooti, kellel on ühes kromosoomis kaks mutatsiooni ja sellele homoloogilises kromosoomis metsiktüüpi DNA järjestused, nimetatakse cis-heterosügoodiks. Juhul, kui kaks uuritavat mutatsiooni asuvad üks ühes ja teine teises homoloogilistest kromosoomidest, on nad transkonfiguratsioonis ning vastavat heterosügooti nimetatakse trans-heterosügoodiks.
11.8. Komplementatsioonitest
Selleks, et selgitada, kas kaks mutatsiooni, mis põhjustavad sarnast fenotüüpi, asuvad ühes või erinevates geenides, kasutatakse trans komplementatsiooniteste.
Selline test töötab ainult retsessiivsete mutatsioonide testimisel
Komplementatsioonitest näitab, kas mutatsioonid paiknevad samas geenis e. kas nad on alleelsed (kumbki mutatsioon tekitab sama geeni erineva alleeli). Rekombinatsioonitesti abil uuritakse, kas mutatsioonid on
aheldunud ja kui on, siis kui kaugel nad asuvad teineteisest kromosoomis (mutatsioonide omavahelist kaugust saab hinnata rekombinantide tekkesageduse kaudu). Komplementatsioonitesti korral jälgitakse, kas ristamisel saadud heterosügoodid on mutantse fenotüübiga või komplementeeritud, seega metsiktüüpi fenotüübiga. Rekombinatsioon võib toimuda nii vastastikku komplementeeritavate kui ka mittekomplementeeritavate tunnuste korral, kuid erineva sagedusega (rekombinatsioonisagedus on madalam, kui mutatsioonid asuvad lähestikku, näiteks samas geenis). Kahte uuritavat mutatsiooni, mille puhul ei teki rekombinante, kuna mutatsioonide asukoht kattub, nimetatakse struktuurseteks alleelideks.
Mutatsioonid, mis on nii struktuurselt alleelsed (rekombinatsioonitesti põhjal ei teki rekombinante) kui ka funktsiooni alusel alleelsed (komplementatsioonitesti põhjal, ei komplementeeri teineteist vastastikku), nimetatakse homoalleelseteks mutatsioonideks. Seevastu mutatsioone, mis komplementatsioonitesti põhjal
on alleelsed (ei komplementeeri), kuid struktuurselt mittealleelsed (annavad rekombinante), nimetatakse heteroalleelseteks mutatsioonideks. Mutantsed heteroalleelid sisaldavad mutatsioone sama geeni erinevates kohtades.
11.9. Intrageenne komplementatsioon
Geenisisene komplementatsioon esineb mõningatel juhtudel, kui meil on tegemist vakkudega, ku nende funktsionaalsed vormid on dimeersed või velgi rohkem, multimeersed, koosnedes mitmetest polüpeptiididest.
Geenisiseste mutatsioonide komplementatsioon esineb mõnikord siis, kui on tegemist multimeersete valkudega, mis koosnevad kahest või enamast polüpeptiidist. Kui tegemist on valguga, mis koosneb sama geeni poolt kodeeritud polüpeptiididest (homodimeer, homotetrameer jne.), võivad kaks erinevat mutatsiooni sisaldavat polüpeptiidi ühe valgu koostises olles teineteise defekte osaliselt või täielikult komplementeerida
11.10. Komplementatsioonitesti kasutamise limitatsioonid
Komplementatsioonitest ei ole rakendatav sel juhul, kui uuritavad mutatsioonid on kas dominantsed või kodominantsed (avalduvad heterosügootses olekus), või kui on tegemist eelpoolkirjeldatud juhtumiga, kus toimub geenisiseste mutatsioonide komplementatsioon. Komplementatsioonitesti tulemuste analüüs on raskendatud ka epistaatiliste mutatsioonide puhul, kus üks mutatsioon mõjutab teise avaldumist. Epistaasi saab kindlaks teha cis-testi abil: epistaasi puhul on cis-heterosügoodid metsiktüüpi fenotüübi asemel mutantse fenotüübiga.
Komplementatsioonitesti kasutamine on raskendatud ka polaarsete mutatsioonide puhul. Polaarse mutatsiooni puhul mõjutab mutatsioon mitte üksnes selle geeni avaldumist, milles ta asub, vaid mõjutab ka temaga külgnevate geenide avaldumist. Need geenid paiknevad mutatsiooni sisaldavast geenist alati ühes kindlas suunas – sellest ka mutatsiooni polaarne toime. Näiteks bakterirakus paiknevad paljud struktuurgeenid operonina. Laktoosioperoni puhul paiknevad geenid lacZ (kodeerib laktoosi lagundavat ensüümi β-galaktosidaas) ja lacY (laktoosi permeaas järjekorras: lac- promootor – lacZ – lacY. Juhul, kui lacZ geeni algusosas tekib mutatsioon, mis tekitab sinna translatsiooni stop koodoni, mõjutab see oluliselt ka geeni lacY translatsiooni efektiivsust .
12. Käitumise geneetiline kontroll
Käitumine on koordineeritud neuromuskulaarne vastus keskkonna signaalidele, milles osalevad nii sensoorsed , neuraalsed kui ka hormonaalsed faktorid. Närvisüsteemi struktuuri ja funktsioneerimist mõjutavad paljud erinevad geeniproduktid. Piisab ühe geeniprodukti kvantitatiivsest või kvalitatiivsest muutusest, et avalduksid käitumuslikud muutused. Samas tuleb seost geeniproduktide ja käitumise vahel käsitleda kompleksselt. Näiteks teatavate geenide alleelid võivad muuta indiviidi vastuvõtlikumaks alkoholile, kuid alkoholismi väljakujunemisel on olulised ka indiviidi närvisüsteemi omapärasused ning see, kui stressitekitav on elukeskkond.
Selgrootute käitumise geneetiline analüüs.
Selgrootutest on kõige põhjalikumalt uuritud käitumist mesilastel ja äädikakärbsel Drosophila melanogaster. Äädikakärbse puhul on uuritud tema reaktsiooni valguse ja raskusjõu muutustele, ööpäeva rütmi, õppimisvõimet ning paaritumisrituaale.
Mesilaste kodukorrashoid.
Mesilaste vastsed arenevad kärjekannudes ning neid hooldavad töömesilased. Bakteriaalse infektsiooni tagajärjel võivad vastsed surra. Töömesilaste ülesanne on sellised vastsed kõrvaldada, et tagada hügieeniline keskkond. Selles tegevuses on kaks geneetiliselt kontrollitud etappi : (1) haiget vastset sisaldava kärjekannu avamine; (2) vastse eemaldamine kärjekannust. Osa mesilasi on ebahügieenilised ning jätavad surnud vastsed kärge. Selgus, et hügieenilisust kontrollivate geenide pärandumine toimub vastavuses Mendeli dihübriidse ristamise lahknemissuhetele. Kui ristata ebahügieenilisi mesilasi hügieenilistega, on kõik järglased ebahügieenilised, mis näitab, et ebahügieeniline käitumine on dominantne tunnus. Kui neid järglasi ristata uuesti hügieeniliste mesilastega, saadakse võrdsel arvul nelja tüüpi järglasi:
1) hügieenilised,
2) avavad kärjekannud, kuid ei kõrvalda sealt nakatunud vastseid ,
3) ei ava kärjekanne, kuid kõrvaldavad nakatunud vastseid avatud kärjekannudest,
4) ei ava kärjekanne ega kõrvalda vastseid.
Selline lahknemissuhe näitab, et üks paar alleele kontrollib kärjekannu avamist, teine aga vastsete kõrvaldamist. Konkreetseid geeniprodukte pole seni veel identifitseeritud. Arvatakse, et nakatanud vastseid sisaldavad kärjekannud levitavad teatavat keemilist signaali, mis on nii nõrk, et teatava geeni suhtes defektset alleeli kandvad ebahügieenilised mesilased seda ei taju. Kui kann on avatud, on signaal tugevam ning nad kõrvaldavad vastsed kahjustatud. Teise geeni suhtes defektset alleeli kandvate ebahügieeniliste mesilaste puhul on aga signaal piisavalt tugev, et avada kärjekann, kuid liiga ebameeldiv, et vastne sealt kõrvaldada.
Rütmiline käitumine.
Nii taimede kui ka loomade puhul on täheldatud päevavalgusele vastavaid rütme. Tänu ajaliste rütmide väljakujunemisele on suutnud organismid kohastuda öö ja päeva ning aastaaegade vaheldumisega. Ööpäevased rütmid võivad olla väga erinevad. Näiteks baobabi õied on päeval suletud ning avatud öösel, sest nende õisi tolmeldavad teatud nahkhiired . Ka seentel ja bakteritel on kirjeldatud rütme. Näiteks filamentse seene Neurospora aseksuaalsete spooride produtseerimine on rütmiline ja kontrollitud geeni frq ( frequency ) poolt. Taime Arabidopsis klorofülliga seonduvat valku kodeeriv geen avaldub päeval ning on väljalülitatud öösel. See rütm säilub ka siis, kui hoida taime konstantselt pimedas .
Drosophila geen per.
Drosophila X kromosoomis paikneb geen per ( period ), mis on funktsionaalselt ekvivalentne Neurospora geenile frq. Äädikakärbse käitumises täheldatakse 24-tunnist rütmi, mida nimetatakse tsirkaadseks rütmiks (lad. k. circa – peaaegu; dies – päev). Tsirkaadne rütm kajastub näiteks kärbse valmikute nukust koorumisel.
Äädikakärbsed on kõige aktiivsemad koiduajal. Kärbeste aktiivsust saab mõõdeta nende liikumisaktiivsuse kaudu klaastorus. Klaastoru on pimedas, ning ühest kohast läbib teda kitsas punane valguskiir, mida kärbsed ei näe. Iga kord, kui kärbsed valguskiire läbivad, see registreeritakse. Geenil per on kirjeldatud mitu alleeli: alleeli per0 puhul on isendite käitumine arütmiline, alleeli perS puhul lüheneb tsükkel 19 tunnile ning alleeli perL puhul pikeneb 29 tunnile.
per lookus kontrollib nukkude koorumise aega. Tavaliselt toimub see hommikul (päikesevalguse käes kuivavad valmiku tiivad kiiremini ning ta saab varem lendama hakata). per0 mutantide puhul toimub valmikute nukust koorumine suvalisel ajal ning alleelide perS ja perL puhul muutub tsükkel vastavalt eelpoolkirjeldatule.
Geen per kontrollib ka kärbeste paaritumisrituaali, mis ei ole tsirkaadne. Isased kärbsed esitavad pulmatantsu, mille võib jagada mitmeks etapiks. Liigiti on tants erinev. Põhimomendid on aga järgmised: isane läheneb emasele nurga all ning liigub emase tagakeha suunas; ta tõstab oma tiivad 90° üles ja vibreerib nendega, tekitades tiibadega heli, mis peaks emast stimuleerima; seejärel puudutab ta emase genitaale ja üritab emast viljastada. Alati ei pruugi ta eesmärki saavutada ning rituaali tuleb korrata .
Tiibade vibratsiooni teel tekitatud “laul” on liigiti erinev, erinedes pulsside intervalli poolest (15 kuni 100 millisekundit). Tiibade vibreerumises on teatav rütm – puuviljakärbsel toimub see 60-sekundiliste perioodide tagant ning vibratsioonikiirus on erinevatel etappidel erinev (algab ühtlase suminaga, siis järgneb kiirem vibreerimine, seejärel on pulsside vaheaeg pikem, siis aga jälle kiirem). Geen per kontrollib perioodide pikkust. Alleeli perS puhul väheneb see 40 sekundini ning alleeli perL puhul pikeneb 90 sekundini. Nende alleelide osalust vibratsiooniperioodide pikkuse kontrollil on näidatud ka kasutades molekulaarseid meetodeid . Drosophila melanogaster’i puhul oli tsükli pikkuseks 60 sekundit, D. simulans’i puhul kordub tsükkel aga 35-sekundiliste intervallide tagant. Kui viia D. simulans’i per geen D. melanogaster’ genoomi, asendub 60-sekundiline tsükkel 35-sekundilise tsükliga.
Geeni per produktiks on valk (PER), mis on oma funktsioonilt transkriptsioonifaktor. See valk on kontsentreerunud rakutuuma ning nii vastava mRNA kui ka valgu enda tase rakus kõiguvad rütmiliselt. PER valku on leitud eeskätt aju rakkudes, kuid ka teistes rakkudes. Kuna PER valgul pole DNA-ga seondumise domeeni, mõjutab ta transkriptsiooni kaudselt , interakteerudes teiste transkriptsioonifaktoritega. PER valgu puhul esineb autoregulatsioon. PER represseerib teda kodeeriva geeni transkriptsiooni. Selle tulemusena väheneb rakkudes vastava mRNA hulk ning seejärel ka valgu hulk. Kui PER valgu hulk väheneb, toimub geeni derepressioon ning mRNA süntees algab uuesti (tavaliselt toimub see koiduajal). PER valk toimib repressorina, komplekseerudes valguga TIM (timeless), mille tase on samuti kõrge öö saabudes ja langeb hommikuks. Leiti, et valgus inaktiveerib valgu TIM ning see põhjustab ka TIM-PER kompleksi lagunemist. Kui kärbseid öösel perioodiliselt valgustada, läheb rütm sassi.
Inimese tsirkaadsed rütmid on reguleeritud hüpotaalamuses paiknevate rakkude poolt. Kas inimese ajus kontrollivad tsirkaadset rütmi tim ja per homoloogid , on seni veel selgitamata.
Käitumise geneetiline analüüs koertel ja hiirtel.
Erinevatel koeratõugudel on erinev käitumislaad. Nad on erineva agressiivsusega, peavad erineval viisil jahti ning sõbrustavad inimesega erineval määral. Ristates erinevaid koeratõuge on võimalik jälgida, millised käitumisjooned on dominantsed, millised retsessiivsed. Näiteks kokerspanjelid on sõbralikud ja väheagressiivsed võrreldes aafrika bansenji tõuga, kes on metsikud ja ei talu eriti inimese lähedust. Kui neid kahte tõugu omavahel ristata, on järglased samuti metsikud.
Hiirte puhul on uuritud tsirkaadset rütmi üsna täpselt. Kui hoida hiiri pimedas, jälgivad nad seda rütmi veidi üle 23 tunni pikkuste intervallide kaupa. Mutatsiooni clock puhul pikeneb rütm homosügootidel 27-28 tunnini, heterosügootidel 25 tunnini. Pärast kahenädalalist pimedas hoidmist kaob homosügootsetel mutantidel rütm täiesti. Vastavat mutatsiooni sisaldav geen on lokaliseeritud 5-ndasse kromosoomi.
fosB mutantsed hiired ei imeta oma järglasi, kuid on normaalsed muude käitumuslike funktsioonide suhtes. Geen fosB kodeerib transkriptsioonifaktorit, mis toimib hüpotaalamuses.
Inimese käitumist mõjutav aneuploidsus.
Häired meioosis võivad põhjustada muutusi kromosoomide arvus ning lisaks muudele silmatorkavatele efektidele järglastel põhjustab muutunud kromosoomide arv ka kõrvalekaldeid vastavate indiviidide käitumises. Downi sündroomi põdevatel 21 kromosoomi trisoomiaga indiviidid on vaimselt alaarenenud. Downi sündroomiga laste IQ jääb 25 ja 50 vahele. Juhul, kui nad tänu pidevale hoolitsusele elavad üle 30-nda eluaasta , ähvardab neid Alzheimer’i tõbi.
XXY mehed (Klinefelteri sündroom) on keskmisest madalama IQ-ga, on vähem aktiivsed ja väiksema agressiivsusega ning kannatavad enam sotsiaalse stressi all. Need käitumuslikud iseärasused arenevad välja pärast puberteeti.
XYY sagedus on populatsioonis 1:1000. Samas on leitud, et 3% vangidest ning hullumajas olevatest ravialustest on genotüübilt XYY. Kas lisa Y kromosoom soodustab agressiivsust ning kriminogeensust, on seni veel vaieldav. Siiski on kindlaid tõendeid, et XYY indiviididel on raskusi hariduse omandamisega, nad on püsimatumad, kontrollimatu temperamendiga ning hüperaktiivsemad kui XY mehed.
XXX naised on käitumuslikult üsna sarnased normaalsete XX naistega , kuid neil on raskusi rääkimisega, nende verbaalne IQ on keskmisest madalam ning neil on suhtlemisraskusi.
XO naised (Turneri sündroom) kannatavad kuulmishäirete all (50% juhtudest). Kuigi nende IQ on keskmine või üle keskmise, on neil kehvem ruumitaju ning raskusi täpseid liigutusi nõudvate töödega.
Ühe geeni defektid , mis mõjutavad inimese käitumist.
Paljud üksiku geeni defektid omavad drastilist efekti inimese käitumisele. Teada on nii retsessiivseid kui ka dominantseid mutatsioone geenides, mis kontrollivad neurotransmitterite sünteesi või kodeerivad signaali ülekandjaid raku väliskeskkonnast raku sisse. Nende tunnuste pärandumine järglastele toimub sageli lihtsate Mendeli lahknemissuhete alusel.
Fenüülketonuuria.
Fenüülketonuuria (PKU) esineb kaukasoidses populatsioonis sagedusega 1:10000 ning asiaatidel sagedusega 1:16500. PKU on autosoomne retsessiivne tunnus, mis avaldub fenüülalaniini hüdroksülaasi (PAH) defektsuse korral. See ensüüm muudab fenüülalaniini türosiiniks. Fenüülalaniini ülehulga puhul koguneb organismi metaboliit, mis kahjustab närvirakkude müeliinkesta ning ühtlasi aju normaalset arengut. Selle tulemuseks on indiviidi vaimne alaareng . PKU võib avalduda erineval määral, sõltuvalt sellest, millise PAH alleeliga on tegemist. Mõnede mutatsioonide puhul jääb ensüüm osaliselt funktsionaalseks. PAH defektsust on võimalik ravida vastava dieediga , kus fenüülalaniini tase toidus on madal. Oluline on, et dieeti rakendataks imikutel kohe pärast sündimist.
Lesh -Nyhan’i sündroom.
Lesh-Nyhan’i sündroom (LNS) on samuti põhjustatud metabolismihäiretest ning avaldub juba imikutel. LNS on X-liiteline hüpoksantiini ja guaniini fosforibosüültransferaasi defektsusest tulenev geneetiline haigus. Kuna tegemist on retsessiivse alleeliga, on haiged tavaliselt poisslapsed. LNS-i põdevad haiged on vaimselt alaarenenud ning nende keha, eriti käed, teeb pidevaid aeglasi võnkuvaid liigutusi. Haiged kipuvad end ise kahjustama. See avaldub esmalt huulte ja suu seespoole närimises, hiljem asuvad nad ka oma käte kallale. Selleks, et LNS sündroomiga haigeid iseenda eest kaitsta, kõrvaldatakse neil hambad ning nad vajavad järelvalvet. HPRT on ensüüm, mida vajatakse puriinide metabolismis. Normaalsetel indiviididel on HPRT tase kõrge just ajus.
Huntingtoni tõbi.
Huntingtoni tõbi (HD) on neurodegeneratiivne surmaga lõppev haigus, mis pärandub autosoomselt ning avaldub dominantselt. HD esineb sagedusega 1:10000 ning esimesed sümptomid avalduvad tavaliselt 30-nda kuni 50-nda eluaasta vahel. Siis on haigetel jäänud elada veel 10 kuni 15 aastat. Mutantset HD alleeli kandvatel haigetel hävivad järk-järgult peamiselt aju keskosas asuvad neuronid , mis paiknevad ajutuumades caudate nucleus ja putamen. Need piirkonnad kontrollivad liikumise koordinatsiooni. Samas ei hävi mitte kõik ajurakud , vaid ainult need, mille puhul kasutatakse teatavaid neurotransmittereid. Haiguse süvenedes hävivad ka teised ajurakud.
Haigust põhjustab mutatsioon kromosoomis 4 asuvas geenis, mis kodeerib valku huntingtiin. Geeni muudab defektseks järjestuse CAG kordistumine (normaalse 11-34 koopia asemel on haigetel leitud 42-100 koopiat). Mida suurem on kordsus, seda varem haigus avaldub. Mutatsiooni tagajärjel muutub valgu funktsioon. Huntingtiin seondub valkudega, mis osalevad rakkude suremises. Mutantne huntingtiin on nende valkude poolt kergemini atakeeritav.
Isiksuse analüüs.
Enamus füüsilisi või käitumuslikke tunnuseid on multifaktoriaalsed, olles mõjutatud nii geneetiliste kui ka mittegeneetiliste faktorite poolt. Suur osa informatsiooni käitumuslike tunnuste päritavuse kohta on saadud ühemunakaksikute võrdlusest, kes on elanud teineteisest lahutatult juba alates varajasest lapsepõlvest. Nende uuringute põhjal on selgunud, et nii võimekus, huvid, sotsiaalne hoiak kui ka isiksuse omapärad on tugevasti mõjutatud genotüübi poolt. Näiteks Minnesota kaksikute uuringutel leiti, et IQ päritavuskoefitsient on 0,7, mis tähendab, et 70% IQ varieeruvusest populatsioonis on seotud genotüübilise varieeruvusega. Geneetiliste faktorite avaldumise ulatus sõltub ka indiviidide kultuurikeskkonnast. Kultuuriliselt ühtlasemas keskkonnas on geneetiliste faktorite päritavuse osa populatsiooni käitumuslikus varieeruvuses suurem. Sotsiaalsete hoiakute ning indiviidide psüühika väljakujunemises on oma osa ka kodusel atmosfääril, kuid Minnesota kaksikute uuringute põhjal ei olnud need erinevused enamasti olulised. Samas tuleb arvestada ka seda, et vastavasisulised uuringud võivad olla ka tendentslikud, kuna võrdluses osalevad vabatahtlikud, ning osa kaksikutest on omavahel eelnevalt ka kohtunud.
Alkoholismi geneetilised alused.
USA elanikkonna kohta on olemas statistilised andmed alkoholismi leviku kohta. 90 miljonist elanikust, kes tarbivad alkoholi, on 18 miljonil probleeme joomisega ning enda eluga toimetulekuga. Neist 10 miljonit on tõsises sõltuvuses alkoholist. Päris selget piiri alkoholismi põdevate ja mittepõdevate indiviidide vahele on raske tõmmata, kuid ligikaudsete hinnangute põhjal põeb alkoholismi 3-5% meestest ning 0,1-1% naistest. Osades perekondades esineb alkoholismi sagedamini kui teistes, mis näitab, et alkoholism võib olla päritav. Hiirte puhul on uuritud erinevate hiireliinide alkoholilembelisust ning leitud, et teatud hiireliinid eelistavad kuni 80% juhtudest veele 10%-list alkoholi vesilahust. Osa hiireliine vältisid alkoholi lahust aga täielikult. Erinevad hiireliinid olid alkoholi suhtes ka erineva tundlikkusega: alkoholi eelistavad hiired talusid alkoholi paremini (näiteks magasid nad end kiiremini välja). Erinevused avaldusid alkoholi dehüdrogenaasi ADH aktiivsuses ning aju tundlikkuses alkoholile. Alkoholismi uuringud inimpopulatsioonis on näidanud järgmist:
1) alkohoolikutest isade poegadel ja vendadel on risk muutuda alkohoolikuteks 50% suurem;
2) ühemunakaksikute puhul on 55% juhtudest mõlemad alkohoolikud, kahemunakaksikute puhul on konkordantsus (tunnuse koosesinemise %) 28%;
3) adopteeritud poegadel kujuneb alkoholism välja vastavuses nende bioloogilistele isadele, mitte aga kasuvanematele.
Alkohoolikutest vanemate järglastel on tavaliselt pärast alkoholi mõõdukat tarbimist võrreldes kontrollgrupiga kõrgem atseetaldehüüdi tase organismis. On leitud ka teisi metaboolseid iseärasusi.
Alkoholismis eristatakse kahte erinevat vormi:
1) alkoholismi I vorm (type I) – avaldub pärast 25-ndat eluaastat ning esineb võrdselt nii meestel kui naistel. Sõltuvus areneb välja kiiresti, joomahood vahelduvad karskusperioodidega. Seda alkoholismi vormi põdevad indiviidid on oma käitumiselt tavaliselt muretsejad, analüüsivad, sõbralikud, kaastundlikud ja sotsiaalsest keskkonnast sõltuvad;
2) alkoholismi II vorm (type II) – avaldub juba teismelistel ning esineb peamiselt meessoost indiviididel. Nad on oma käitumiselt agressiivsed, impulsiivsed ning asotsiaalsed, sageli vägivaldsed. Seda vormi põdevad indiviidid ei suuda tavaliselt joomist lõpetada, nad satuvad sageli joomaperioodidesse.
Mõlemad alkoholismi vormid on päritavad, kusjuures II vormi puhul on genetilise faktori osatähtsus suurem.
Alkoholismi on püütud seostada ka teatavate geenide defektidega. Nii on isoleeritud dopamiini retseptori D2 geeni DRD2 alleel A1. Analüüsides 35 hukkunud alkohooliku ja mittealkohooliku aju, leiti, et alleel A1 esines 69% juhtudest alkohoolikutel ning 20% kontrollgrupist. Sama suhe jäi kehtima ka siis, kui analüüsiti suuremat hulka indiviide. Dopamiin on neurotransmitter , mis toimib ajus nn. “mõnutsentrile”. Siiski on seosed alkoholismi ja alleeli DRD2 A1 omamise vahel mõneti vasturääkivad. Nimelt on see alleel etniliselt ebaühtlaselt levinud. Näiteks Jaapanis on selle alleeli sagedus 0,50 kuid alkohoolikuid on jaapanlaste hulgas väga vähe. Põhjus võib olla selles, et jaapanlastel esineb enamasti aldehüüdi dehüdrogenaasi alleel, mille puhul alkoholi metabolism on pärsitud ning selle tulemusena on indiviidid alkoholi suhtes väga tundlikud. Seni pole suudetud näidata ka alleeli DRD2 A1 seost ühe või teise alkoholismi vormiga .
Ka dopamiini transporterit kodeeriv geen DAT1 võib olla olla seotud alkoholismiga. Alkoholismi II vormi põdevatel indiviididel on see geen aktiivsem. Agressiivsust seostatakse just dopamiini kõrgenenud kontsentratsiooniga ning alkoholismi II vormi põdevad indiviidid on tavaliselt agressiivsemad.
Alzheimeri tõbi.
Inimese vananedes vähenevad ta vaimsed võimed. Osadel juhtudel kujuneb aga välja dementsus , mille puhul on tõsiseid probleeme mäluga ning indiviid pole võimeline enam adekvaatselt käituma. Dementsusel võib olla palju erinevaid põhjuseid. Näiteks kaasneb see Huntingtoni tõvega, aga samuti Alzheimeri tõvega. Alzheimeri tõbe (AD) põevad 5% üle 65 aastastest ning 25% üle 85 aastastest indiviididest. AD põdevatel haigetel hävivad ajus neuronid ning tekivad seniilsuse laigud, kus närvirakud esinevad tihendatud kujul ning sinna piirkonda on kogunenud amüloid-b-valku. Samuti on AD indiviidide ajus kirjeldatud neurofibrillaarseid sõlmekesi, mis moodustuvad neuronitesisese filamentse materjali akumuleerumise tulemusena. Osa AD vorme on päritavad, osa mitte. Kuna ka Downi sündroomi põdevatel indiviididel areneb välja AD, siis võivad AD sümptomid avalduda ka 21-s kromosoomis paikneva teatava geeni üledoosi tulemusena. Seos 21. kromosoomiga ilmneb ka selles, et 21-s kromosoomis paikneb amüloid-b-valku APP kodeeriv geen APP. AD põdevatel haigetel toimub APP akumuleerimine ajus. Samuti on näidatud, et mutatsioonid geenis APP põhjustavad dominantset AD vormi FAD ( early -onset Familiar Alzheimer’s Disease ). See AD vorm esineb 3%-l kõigist AD juhtudest.
Mutatsioonid preseniliini kodeerivas geenis, mis paikneb esimeses kromosoomis, põhjustavad dominantset AD vormi. Preseniliin on membraaanseoseline valk, mis vastutab teiste valkude transpordi eest ning arvatakse, et just APP transpordi eest. Võimalik, et muutused APP transpordimehhanismis suurendavad selle valgu rakuvälist kogust, mis omakorda soodustab AD kujunemist. Mutatsioonid preseniliini geenis on kirjeldatud 70-80% päritava AD juhtudest.
19-ndas kromosoomis on identifitseeritud kolmas AD-ga seotud geen, mis kodeerib valku ApoE . ApoE osaleb kolesterooli transportimisel ajju. Oletatakse ka hüpoteetilise neljanda geeni osalust päritava AD kujunemisel (20% kõigist päritava AD juhtudest). Vastav AD vorm on dominantne autosoomne.
Intelligentsus on multifaktoriaalne tunnus.
Intelligentsust mõjutavad nii indiviidi genotüüp kui ka keskkonna tegurid. Intelligentsust kirjeldab erinevate vaimsete võimete kogum:
1) sõnade defineerimine ning mõistmine;
2) verbaalse mõtlemise kiirus;
3) matemaatiline mõtlemine;
4) ruumiline mõtlemine;
5) meeldejätmine ning informatsiooni taastamine;
6) objektidevahelise sarnasuse ja erinevuse hindamine;
7) seaduste, põhimõtete või kontseptsioonide formuleerimine probleemide lahendamiseks ning erinevate olukordade hindamiseks.
Intelligentsuse päritava faktori osakaalu üle on palju vaieldud. Erinevad koolkonnad on pakkunud välja äärmuslikke seisukohti. Minnesota kaksikute analüüs näitas, et intelligentsust kujundavad nii geneetilised kui ka keskkonna tegurid.
Intelligentsuse mõõtmiseks kasutatakse IQ teste. Keskmine IQ (intelligence quotient) – intelligentsuse kvoot on 100. IQ arvutatakse sel viisil, et jagatakse indiviidi vaimne iga tema tegeliku vanusega ning korrutatakse sajaga. Kui näiteks 10-aastase lapse testi tulemused vastavad 12-aastase keskmistele testi tulemustele, on selle lapse IQ 120. IQ testide kasutamine on tekitanud samuti vaidlusi. Tekib küsimus, kas on õige rakendada samu teste erineva sotsiaalse staatuse ning erinevate etnilistesse ja rassilistesse gruppidesse kuuluvate indiviidide puhul.
Hoolimata kõikvõimalikest dispuutidest on siiski selge, et lahus kasvanud ühemunakaksikute IQ on sarnasem kui koos või eraldi kasvanud kahemunakaksikute IQ. Adopteeritud laste IQ on lähedasem nende bioloogiliste vanemate IQ-le kui kasuvanemate IQ-le. Mida lähedasemad on kaks inimest geneetiliselt, seda enam korreleeruvad nende IQ väärtused (Vt. joonis 26.19). Samas tuleb arvestada, et lapse vaimseks arenguks on vaja teatavaid keskkonna tegureid.
Kas erinevate rasside keskmine IQ väärtus erineb? 1969-ndal aastal Arthur Jenseni poolt läbiviidud katsete põhjal oli mustade keskmine IQ väärtus valgete omast 15 punkti madalam. Praegu suhtutakse eriti USA-s võimalikesse rassilistesse erinevustesse väga kriitiliselt. Osututakse sellele, et adekvaatseid tulemusi saaks üksnes siis, kui kõigi analüüsitavate indiviidide elutingimused oleksid võrreldavad.
Soolise orientatsiooni geneetiline determineeritus.
Kas homoseksuaalsus on geneetiliselt määratud? Michael ja Pillard uurisid 161 homoseksuaalset meest ja leidsid, et 52%-l homoseksuaalsetest ühemunakaksikutest olid ka kaksikvennad homoseksuaalsed; kahemunakaksikute puhul oli see protsent 22% ning 11%-il adopteeritud homoseksuaalidest oli ka vend homoseksuaalne. Üsna sarnased tulemused on saadud lesbide analüüsist. Seega on geneetiline faktor soolise orientatsiooni väljakujunemisel ilmne. Sugupuude geneetilise analüüsi tulemused viitavad sellele, et homoseksuaalsus on X-liiteline tunnus, sest avaldub järglastel sagedamini siis, kui ema suguvõsas on olnud homoseksuaale. Vastavat geeni pole seni küll veel lokaliseeritud, kuid analüüsides 40 paari homoseksuaalsete vendade X kromosoomi molekulaarseid markereid, leiti, et 33 paari puhul olid nende X kromosoomide otsad (regioonis Xq28) 5 molekulaarse markeri suhtes identsed. Homoseksuaalide heterosügootsete vendade puhul olid need markerid erinevad. Kuna homoseksuaalsete naiste puhul olid need markerid homoseksuaalsetel õdedel erinevad, viitab see sellele, et meeste ja naiste soolist orientatsiooni kontrollivad erinevad geenid.
Uuritakse ka homoseksuaalsust stimuleerivaid keskkonnategureid. Eriti on asutud uurima faktoreid, mis mõjutavad hormoonide toimimist loote arengu käigus.
Käitumise geneetiliste aluste uurimise perspektiivid.
Praeguseks on suudetud enamasti identifitseerida ühe geeni mutatsioone, mis põhjustavad silmatorkavaid neuroloogilisi kahjustusi ning sellega kaasnevaid käitumuslikku hälbeid. Paljud neuroloogilised haigused on aga komplekssed, mille sümptomite väljakujunemises osalevad korraga mitmed erinevad geenid ning erinevad keskkonnategurid. Näiteks võib tuua skisofreenia ning maniakaalse depressiooni, millele on küll geneetiline soodumus , kuid haigus avaldub ainult teatavate keskkonna mõjutuste toimel, näiteks väga tugeva stressi korral.
Vananemise teooriad
• Vabade radikaalide teooria – metabolismis tekkivad vabad hapniku radikaalid kahjustavad makromolekule, organelle ja rakke. Antioksüdantide üleekspressioon pikendab eluiga 30% (Kas primaarne või pärast kaitseprogrammi blokaadi?)
• Vahetatava sooma teooria –metaboolne koormus esineb ka reparatsioonisüsteemide rakendamisel. Valik on viinud metaboolse kompromissini ea, paljunemise ja kasvu vahel.
• Antagonistlik pleiotroopia – alleelid, mis on kasulikud reproduktiivses eas võivad osutuda kahjulikuks vanemas eas. Tegemist kohasuse kasvuga
• Mutatsioonide akumuleerumise teooria – mutatsioonid, mis põhjustavad kahjulike efekte akumuleeruvad genoomis, kuna valiku surve väheneb
• Programmeeritud pikaealisuse teooria – esinevad “programmeeritud” pikaealisuse genotüübid, tekkinud vastuseks kehvadele elutingimustele. Mutatsioonid viivad ellujäämisprogrammi pidevale kasutamisele.