Geneetika (4)

KLASIKALISE JA MOLEKULAARGENEETIKA KUJUNEMINE.
 
Geneetika on suhteliselt noor teadus. Kuigi pärilikkuse põhilised seaduspärasused esitas Gregor Mendel aastal 1865, tuleb geneetika sünniks lugeda siiski 20-nda sajandi algust. Alles siis taasavastati Mendeli ideed, mis said aluseks klassikalisele geneetikale. Tõendid selle kohta, et DNA kannab geneetilist informatsiooni, saadi 20-nda sajandi keskel. 1944. aastal kirjeldasid Avery ja ta kolleegid katseid, kus nad uurisid bakterite (Streptococcus pneumoniae) transformatsiooni puhastatud DNA-ga. Hersey ja Chase poolt aastal 1952 avaldatud tulemused kinnitasid seda, et DNA on pärilikkuse kandja. Nad näitasid, et bakteriviiruse T2 geneetiline informatsioon säilub DNA-s. 1953-ndal aastal avaldasid James Watson ja Francis Crick DNA kaksikhelikaalse struktuuri. Need avastused ja geneetilise koodi deshifreerimine said aluseks molekulaargeneetika sünnile. Uute molekulaarsete meetodite väljatöötamine 70-ndatel ja 80-ndatel aastatel on võimaldanud kasutusele võtta rekombinantse DNA tehnoloogia , täiustusid meetodid, mis võimaldavad määrata nukleiinhapete primaarstruktuuri. 1985-nal aastal Kary Mullise poolt väljatöötatud PCR (polümerase chain reaction) meetod võimaldab lühikese ajaga amplifitseerida spetsiifilisi DNA segmente väga väikesest algmaterjali kogusest. Uute meetodite arsenal kasvab pidevalt, võimaldades üha täpsemalt selgitada geeneetiliste protsesside toimumist molekulaarsel tasemel. Ka geeni definitsioon on alates Mendeli poolt kasutatud “pärilikkuse ühikust” (siis veel terminit “geen” ei tuntudki) pidevalt täiustunud
NUKLEIINHAPPED
1868. aastal isoleeris Johann Friedrich Miescher rakkudest happelise ühendi ning nimetas selle nukleiiniks. Võrreldes teiste rakust eraldatud komponentidega oli see ühend ebatavaline oma kõrge lämmastiku ja fosfori sisalduse poolest. 1871. aastal need andmed ka publitseeriti, kuid nukleiinhappe rolli geneetilise informatsiooni kandjana mõisteti alles aastakümneid hiljem.
1. Bakterite transformatsiooni avastamine.
 Transformatsioon on geneetilise informatsiooni ülekandumine ühest bakterirakust teise rakust isoleeritud DNA abil. Transformatsioon võib toimuda ka looduslikes tingimustes. Sel juhul kandub elusrakkudesse surnud rakkudest vabanenud DNA.
 Streptococcus pneumoniae (pneumokokk) on patogeenne bakter , mis võib põhjustada kopsupõletikku. Pneumokokid on geneetiliselt muutlikud, mis avaldub nende fenotüübis. Üheks silmatorkavaks tunnuseks on polüsahhariididest koosneva limakapsli olemasolu. Patogeensed on ainult limakapsliga pneumokokid, sest limakapsli tõttu ei suuda peremeesorganism neid hävitada. Kapsli olemasolu või puudumist on võimalik hinnata tardsöötmel moodustuvate bakterikolooniate suuruse alusel. Limakapsliga rakud (S-tüüpi, sile) moodustavad söötmel suuri, siledapinnalisi kolooniaid , kapslita rakud (R-tüüpi, kare) moodustavad aga väikesi, ebatasase pinnaga kolooniaid. Hiirte süstimisel S-tüüpi rakkudega hiired surid, R-tüüpi rakkudega süstimisel aga jäid ellu. 1928. a. demonstreeris Frederick Griffith, et hiired surid ka siis, kui neid süstiti seguga , mis sisaldas R tüüpi elusaid rakke ning S-tüüpi surmatud rakke. Kapslita rakud omandasid surnud rakukultuurist midagi, mis muutis - transformeeris - nad patogeenseteks kapsliga rakkudeks, võimaldades neil selle tulemusena hiire immuunsüsteemile vastu seista.
 
1944. a. näitasid Oswald Avery, Colin MacLeod ja Maclyn McCarty, et Streptococcus pneumoniae avirulentsete R-tüüpi rakkude transformeerumist S-tüüpi virulentseteks rakkudeks põhjustas DNA. Nad isoleerisid S-tüüpi pneumokokkidest DNA. Kuna DNA preparaat võis sisaldada ka RNA-d ja valke, töötlesid nad seda erinevate ensüümidega, mis degradeerisid valikuliselt kas DNA (DNaasid), RNA (RNaasid) või valgud ( proteaasid ) ning uurisid töödeldud preparaadi võimet transformeerida R-tüüpi rakke virulentseteks. Selgus, et transformatsioonivõime oli kaotanud ainult see preparaat, mida oli töödeldud DNaasiga. Järelikult osutus geneetilise informatsiooni kandjaks DNA.
2. DNA ja RNA struktuur.
 
Nukleiinhape (DNA või RNA) on polümeer, mis koosneb nukleotiididest. Igas nukleotiidis sisaldub fosfaatrühm, 5-süsinikuline suhkur ( pentoos ) ja tsükliline lämmastikalus. Kui lämmastikalus on ainult suhkrujäägiga seotud, on tegemist nukleosiididega. Näiteks, kui adeniin on seotud riboosiga, on tegemst adenosiiniga. Ühe või mitme fosfaatrühma kovalentsel sidumisel nukleosiidile saadakse nukleotiid . Näiteks nukleotiid adenosiintrifosfaat (ATP) koosneb adeniinist, riboosist ja kolmest fosfaatrühmast. Kui riboosi asemel on suhkrujäägiks desoksüriboos, saame desoksüadenosiintrifosfaadi. DNA puhul on suhkruks desoksüriboos, sellest ka nimetus - desoksüribonukleiinhape. RNA puhul on suhkruks riboos , mistõttu RNA-d nimetatakse ribonukleiinhappeks. RNA molekul on tavaliselt üksikahelaline polümeer, DNA esineb tavaliselt aga kaksikahelalisena.
 
DNA-s on 4 erinevat lämmastikalust: adeniin (A), guaniin (G), tümiin (T) ja tsütosiin (C). RNA sisaldab tümiini asemel uratsiili (U). A ja G on 2-tsüklilised lämmastikalused - puriinid . T, C ja U puhul on tegemist pürimidiinidega, kus lämmastikuaatomid moodustavad ühe tsükli.
 3. DNA kaksikahela ehitus.
 1953. a. kirjeldasid James Watson ja Francis Crick DNA ruumilise struktuuri. Mudeli loomisel lähtusid nad järgmisest informatsioonist:
 1) Erwin Chargaff kolleegidega analüüsis DNA koostist. Segus, et tümiini kontsentratsioon vastas alati adeniini kontsentratsioonile ja tsütosiini kogus guaniini hulgale. Samuti näitasid nad, et pürimidiinide summaarne kontsentratsioon DNA molekulis vastas kõigil juhtudel puriinide summaarsele kontsentratsioonile.
 2) Maurice Wilkins 'i ja Rosalind Franklin'i poolt saadud DNA röntgenstruktuuri analüüsi tulemused. DNA kristallstruktuuri uuringud näitasid, et DNA on 2- ahelaline , kusjuures ümber molekuli telje kordub regulaarselt (iga 0,34 nm järel) teatav alamstruktuur.
 Watson ja Crick esitasid DNA mudeli, mis hiljem leidis kinnitust ka eksperimentaalselt.
 DNA on paremalepöörduv kaksikahelaline heeliks . Nukleotiidid polünukleotiidahelas on kovalentselt seotud fosfodiestersidemete kaudu. Kaks polünukleotiidahelat on omavahel seotud vesiniksidemete kaudu, mis tekivad lämmastikaluste vahel. Alustevaheline paardumine on spetsiifiline: A paardub T-ga ja G paardub C-ga. Seega koosnevad kõik aluspaarid ühest puriinist ja pürimidiinist. Lämmastikaluste spetsiifilise paardumise määrab ära see, et vesiniksidemed saavad moodustuda ainult kindlate paaride korral. A ja T vahel moodustub 2 vesiniksidet, C ja G vahel 3.
 
Lämmastikaluste spetsiifilisest paardumisest tuleneb DNA ahelate komplementaarsus. Kui ühe DNA ahela nukleotiidne järjestus on teada, on selle põhjal võimalik kirjutada vastasahela nukleotiidne järjestus. Just DNA ahelate komplementaarsus võimaldab geneetilist informatsiooni säilitada ja kanda põlvkonniti edasi.
 
Ühte DNA kaksikheeliksi pöördesse mahub 10 lämmastikaluste kaudu paardunud nukleotiidi. Suhkrus tähistatakse C-aatomeid C1', C2', C3', C4' ja C5'. Fosfodiesterside moodustub kasvava nukleiinhappe ahelas oleva viimase nukleotiidi suhkrujäägi 3’-OH rühma ja lisanduva nukleotiidi suhkrujäägi 5’ C-ga seotud fosfaadi vahel. Nukleiinhapet sünteesitakse 5' otsast 3' suunas. Kuna see on ainuvõimalik DNA ahela sünteesi suund, on DNA ahelad kaksikheeliksis antiparalleelsed. DNA molekuli ühe ahela otsas on vaba 3' OH-rühm, teise ahela otsas aga vaba 5' fosfaat.
DNA kaksikheeliks püsib stabiilsena tänu paardunud lämmastikaluste vahel moodustunud vesiniksidemetele. Lisaks stabiliseerivad DNA-d ka külgnevate aluspaaride vahelised hüdrofoobsed sidemed.
 
4. DNA kaksikheeliksi alternatiivsed vormid.
 Watsoni ja Crick'i poolt esitatud DNA kaksikheeliksi mudel kirjeldab DNA struktuuri, mis vastab B-DNA vormile. Sellises konformatsioonis on DNA füsioloogilistes tingimustes (vesilahuses, milles soolade kontsentratsioon on madal). Seega on elusrakus DNA molekulid tavaliselt B-konformatsioonis. Kui DNA satub kõrge soolsusega keskkonda või ta on osaliselt dehüdreeritud, moodustub A- konformatsioon . A-DNA sarnaneb B-DNA-le, sest ka siis on tegemist paremale pöörduva kaksikheeliksiga, kuid sel juhul on DNA heeliks tihedam - ühte pöördesse mahub 11 paardunud nukleotiidi. DNA heeliksil on eristatavad suur ja väike vagu . A-DNA puhul on väike vagu laiem ja madalam kui B-DNA puhul. Kas A-DNA-l on ka bioloogilisi funktsioone, on seni küsitav, kuid see kaksikheeliksi vorm on huvipakkuv seetõttu, et sarnaneb väga konformatsiooniga, mis tekib DNA-RNA ja RNA:RNA dupleksite puhul. DNA-RNA dupleksite moodustumine on rakkudes sage protsess.
 
DNA puhul on kirjeldatud ka vasakule pöörduvat kaksikheeliksit, mida nimetatakse Z-DNA-ks. Nimetus Z-DNA tuleneb sellest, et selle konformatsiooni puhul paikneb suhkur-fosfaat selgroog sikk-sakiliselt. Z-DNA puhul mahub heeliksi täispöördesse 12 aluspaari ning molekuli pinnal on ainult üks sügav vagu.
 
Z-DNA tekkimist soodustavad tsütosiini metüleerimine ning DNA negatiivne superspiralisatsioon . Arvatakse, et üks Z-DNA bioloogilisi rolle võib olla seotud transkriptsiooniga.
 
5. Nukleiinhapete primaar - sekundaar- ja tertsiaarstruktuurid.
 Kui nukleotiidid on omavahel ühendatud DNA või RNA ahelaks, on tegemist DNA või RNA primaarstruktuuriga. Sekundaarstruktuur tekib siis, kui kaks polünukleotiidahelat moodustavad kaksikheeliksi. Sekundaarstruktuure moodustab ka RNA. Rakkudes on DNA seotud erinevate valkudega, mille tulemusena DNA kaksikheeliks on volditud ja painutatud 3-mõõtmelisse struktuuri, mida nimetatakse DNA tertsiaarstruktuuriks. Tertsiaarstruktuure on kirjeldatud ka RNA puhul.
KROMOSOOMI STRUKTUUR
1. Bakterikromosoomi struktuur.
 Nii nagu viirustel, on ka bakteritel kogu geneetiline informatsioon ühes kromosoomis. Bakterikromosoom on rõngasmolekul, mis esineb rakus kõrgelt struktureeritud kujul alas, mida nimetatakse nukleoidiks. Näiteks E. coli kromosoomi kontuurpikkuseks on 1100 mm, raku enda diameeter on aga ainult 1-2 mm, mistõttu kromosoom on ligi 1000 korda lühemaks kokku pakitud. DNA rõngasmolekul on kokku volditud, nii et moodustub 50-100 lingu . Genoomi voltimisel osalevad nii RNA kui ka valgud. Ühe DNA lingu moodustavad ligikaudu 40000 aluspaari. Selline DNA linge sisaldav struktuur suurendab kromosoomi kompaktsust aga ainult 10 korda. DNA kompaktsemaks muutmisel on oluline roll DNA superspiralisatsioonil.
DNA superspiralisatsioon toimub nii bakteri ka eukarüoodi rakus. DNA superspiralisatsioon tekib näiteks siis, kui üks DNA ahel on kaksikheeliksis teise, fikseertitud ahela suhtes roteerunud kas vasaku- või paremasuunaliselt. Kui keerdumine toimub kaksikheeliksi pöördumise suunas (seega paremasuunaliselt), viib see positiivse superspiralisatsiooni tekkele. Sel juhul on DNA ahelad teineteise suhtes tihedamalt kokku keerdunud . Vaba ahela vastassuunaline roteerumine viib negatiivse superspiralisatsiooni tekkele. Negatiivse superspiralisatsiooni puhul on DNA ahelad teineteisest rohkem lahti keerdunud ning võivad isegi eralduda. DNA negatiivsel superspiralisatsioonil on palju bioloogilisi funktsioone seoses DNA replikatsiooniga, rekombinatsiooniga, geenide avaldumise regulatsiooniga. DNA superspiralisatsioonil osalevad ensüümid, mida nimetatakse topoisomeraasideks. Topoisomeraasid viivad DNA kaksikheeliksisse kas üksik- või kaksikahelalisi katkeid ning lõdvendavad või pingutavad kaksikheeliksit. Seejärel viiakse katkenud DNA ahelate otsad omavahel jälle kokku. Bakterites on leitud topoisomeraas II, mida nimetatakse DNA güraasiks. See ensüüm tekitab DNA negatiivset superspiralisatsiooni ja vähendab positiivset superspiralisatsiooni. Topoisomeraas I on vastupidise toimega ja vähendab negatiivset superspiralisatsiooni.
 
Negatiivne superspiralisatsioon on oluline bakterikromosoomi kompaktsemaks muutmisel. Keskmiselt on bakterikromosoomis iga kaksikheeliksi 40 täispöörde kohta üks negatiivne superspiraal.
 
2. Eukarüootsete kromosoomide struktuur.
 Kuigi võrreldes E. coli genoomiga on erinevatel eukarüootidel ainult 2-25 korda enam geene, ületab nende genoomi suurus bakteri genoomi mitu suurusjärku. Suur osa eukarüootsest DNA-st ei ole kodeeriv . Eukarüootidel on genoom jaotunud mitmeks erinevaks kromosoomiks ning enamasti on kõiki kromosoome 2 komplekti. Inimese genoomi moodustava DNA kogupikkus on ligikaudu 1 meeter. Erinevate kromosoomide DNA pikkus varieerub 15-85 millimeetrini. Et kogu selline DNA hulk rakku ära mahuks, peab see võrreldes bakteri DNA-ga olema märksa kompaktsemalt pakitud. Inimese kõige suurem kromosoom on metafaasis ainult 10 mm pikkune ja läbimõduga 0,5 mm.
Interfaasi rakkude tuumast isoleeritud kromatiin koosneb peamiselt DNA-st ja valkudest. Kromatiini koostises olevad valgud jaotuvad kahte suurde klassi:
 
1. Histoonid – aluselised valgud (neutraalse pH juures positiivselt laetud), sisaldavad 20-30% arginiini ja lüsiini, mis on positiivse laenguga.
2. Mittehistoonsed kromosoomivalgud – tugevalt happelised (neutraalse pH juures negatiivselt laetud).
 
Histoonidel on põhiline kromosoomi struktuuri kujundav roll. Kõrgemate eukarüootide kromatiin sisaldab ekvivalentses hulgas histoone ja DNA-d. Taimedel ja loomadel on 5 klassi histoone – H1, H2a, H2b, H3 ja H4. Need valgud on olemas peaaegu kõigis rakutüüpides v. a. spermarakkudes, kus nad on asendatud protamiinidega, mis on samuti aluselised valgud. Histoonid on DNA-ga spetsiifiliselt komplekseerunud, moodustades kromatiinist struktuurseid alaüksusi, mida nimetatakse nukleosoomideks. Üks nukleosoom on läbimõõduga 11 nm ning 6 nm kõrgune struktuur. Histoonid on fülogeneetiliselt väga tugevalt konserveerunud.
 
Eukarüootse kromosoomi pakkimine.
 
Metafaasi kromosoomi kondensatsiooniaste on võrreldes DNA molekuli kontuurpikkusega 10000 kordne. Võrreldes interfaasi kromosoomidega on meioosi ja mitoosi kromosoomid rohkem kondenseerunud. Eukarüoodi kromosoomi kondensatsioonil on eristatavad kolm astet.
 
1) DNA nukleosoomne struktuur. Iga 200 nukleotiidi pikkuse DNA lõigu kohta on moodustunud üks nukleosoom, mis sisaldab 146 aluspaari. Nukleosoomid on ühendatud linkeraladega. Iga nukleosoomi koostises on 2 molekuli histoone H2a, H2b, H3 ja H4. Histoon H1 on seondunud linkeralaga. Linkeralade pikkus võib varieeruda nii liigiti kui ka erinevates rakutüüpides liigisiseselt . Nende pikkus varieerub 8 aluspaarist 114-ni. Nukleosoomide struktuur geneetiliselt aktiivsetes kromosoomi piirkondades erineb struktuurist geneetiliselt inaktiivsetes piirkondades.
2) Kromatiini kiud. Interfaasis on elektronmikroskoobi abil nähtavad 10 nm diameetriga nukleosoome sisaldavad kromatiini kiud. Meioosi- ja mitoosikromosoomide puhul on elektronmikroskoopiliselt tuvastatavad 30 nm diameetriga kiud, mis on tekkinud 10 nm kiudude baasil H1 osalusel. Vastavat struktuuri nimetatakse ka solenoidseks struktuuriks.
3) Metafaasi kromosoom. Metafaasis saavutavad kromosoomid kõrgeima kondensatsiooni astme. Selle struktuuri moodustumisel, mis tekib 30 nm kiudude kokkupakkimisel, osalevad mittehistoonsed valgud. Moodustuvad radiaalsed lingud, mis on ankurdatud nukleaarsele skeletile. Iga ling sisaldab 50000 -100000 aluspaari.
Tsentromeerid ja telomeerid .
 Tütarkromatiidide liikumisel anafaasis raku vastaspoolustele on nende tsentromeeridele kinnitunud mikrotuubulitest koosnevad kiud (kääviniidid). Metafaasi kromosoomis on tsentromeeri ala jälgitav kokkusurutud piirkonnana. Erinevate kromosoomide tsentromeeri regioonid - CEN regioonid on konserveerunud. Katsetes S. cerevisiae CEN regioonidega on näidatud, et ühe kromosoomi CEN regiooni asendamine teise kromosoomi CEN regiooniga ei mõjuta rakkude normaalset jagunemist.
 
Telomeeridel on 3 olulist funktsiooni:
1) Takistavad DNA molekulide otste lagundamist nukleaaside poolt.
2) Takistavad erinevate DNA molekulide otste kleepumist.
3) Võimaldavad lineaarsete DNA molekulide otste replitseerumist, ilma et DNA molekulid kaotaksid replikatsiooni käigus otstest geneetilist materjali.
 
Telomeeridel on unikaalne struktuur, mis sisaldab tandeemsetes kordustes lühikesi nukleotiidseid järjestusi. Selgroogsetel on selleks järjestuseks TTAGGG, mille koopiaarv varieerub nii liigiti kui ka liigisiselt sõltuvalt kromosoomist ja ka rakutüübist. Inimese somaatilistes rakkudes sisaldavad telomeerid 500-3000 TTAGGG kordust. Organismi vananedes telomeerid lühenevad. Samal ajal ei toimu telomeeride lühenemist tüvirakkudes ega vähirakkudes.
 
DNA kordusjärjestused.
 Eukarüootne DNA jaotatakse vastavalt korduste olemasolule 3 klassi:
 1. Unikaalsed või ühe koopiana esinevad DNA järjestused - 1 kuni 10 koopiat genoomi kohta.
2. Mõõdukalt korduvad DNA järjestused - 10 kuni 105 koopiat genoomi kohta.
3. Kõrgelt korduvad DNA järjestused - enam kui 105 koopiat genoomi kohta.
REPLIKATSIOON
Replikatsioon - päriliku materjali (mis võib olla nii DNA kui RNA) kahekordistumine. Elusorganismide geneetiline informatsioon on säilitatud kaheahelalise DNA kujul. Replikatsioon on DNA süntees. Teiselt poolt on replikatsioon laiem mõiste kui DNA süntees hõlmates ka RNA praimeri sünteesi, DNA ja kromosoomi struktuuri muutusi ja replikatsiooni regulatsiooni. DNA sünteesi viib läbi ensüüm - DNA-sõltuv DNA polümeraas kusjuures substraatideks on desoksü- nukleosiid 5’-trifosfaadid.
Nukleiinhappe (DNA või RNA) ahel kasvab 5’®3’ suunas. Fosfodiesterside moodustub kasvava nukleiinhappe ahelas oleva viimase nukleotiidi suhkrujäägi 3’-OH rühma ja lisanduva nukleotiidi suhkrujäägi 5’ C-ga seotud fosfaadi vahel. Nukleiinhappe sünteesil lülituvad sünteesitavasse ahelasse nukleotiidid, mis on komplementaarsed matriitsahela nukleotiididega. Sünteesi viivad läbi polümeraasid.
 
Matriitsina toimib üksikahelaline nukleiinhape. Seega peab kaksikahelaline DNA replikatsiooni initsiatsioonisaidist olema eelnevalt viidud üksikahelaliseks. DNA ahelate eraldumist teineteisest katalüüsib DNA helikaas . DNA replikatsiooni käigus lülitatakse kasvavasse DNA ahelasse inimesel 3000 nukleotiidi minutis , bakteril 30000 nukleotiidi minutis. DNA sünteesil eristatakse 3 etappi - initsiatsioon , elongatsioon ja terminatsioon. Replikatsioonil käituvad matriitsina mõlemad DNA ahelad ning replikatsiooni lõpp-produktideks on kaksikheeliksid, milles üks ahel on uus ja teine vana. Seega toimub DNA replikatsioon semikonservatiivse mudeli alusel. DNA replikatsiooni initsiatsioon on limiteeritud spetsiifiliste initsiatsiooni regioonide - ori regioonide olemasoluga. Replikatsiooni initsiatsiooniks on vajalik DNA ahelate lokaalne lahtikeerdumine ning praimeri süntees. DNA helikaas keerab lahti DNA kaksikahela ja DNA primaas sünteesib praimeri. RNA praimeritelt jätkab sünteesi DNA polümeraas III. DNA topoisomeraasid teevad DNA ahelatesse ajutisi katkeid, et soodustada DNA ahelate lahtikeeramist. Üksikahelalist DNA-d stabiliseerivad sellele seonduvad SSB ( single strand binding protein) valgud. RNA praimerid asendatakse hiljem DNA-ga DNA polümeraas I poolt ning DNA ahelad ühendatakse fosfodiestersidemete kaudu DNA ligaasi poolt. DNA polümeraas I lagundab RNA praimeri 5'® 3' eksonukleaasse aktiivsusega ja sünteesib asemele DNA ahela 5'® 3' polümeraasse aktiivsusega.Praimerit on vaja selleks, et sünteesitaval polünukleotiidahelal oleks vaba 3'-OH ots, kuhu DNA polümeraas saab liita nukleotiide. Praimeri sünteesib kas RNA polümeraas või primaas. RNA praimerid asendatakse hiljem DNA-ga DNA polümeraas I poolt ning DNA ahelad ühendatakse fosfodiestersidemete kaudu DNA ligaasi poolt. DNA polümeraas I lagundab RNA praimeri 5'® 3' eksonukleaasse aktiivsusega ja sünteesib asemele DNA ahela 5'® 3' polümeraasse aktiivsusega.
Bakterirakus on 3 DNA polümeraasi – DNA polümeraasid I, II ja III. Polümeraasid I ja II osalevad DNA reparatsioonil, DNA polümeraas III on põhiline DNA replikatsiooni ensüüm.
DNA polümeraas III ensüümkompleks.
DNA polümeraas III on põhiline bakteri DNA replikatsioonil osalev ensüüm Ta koosneb mitmetest subühikutest. Multiensüümkompleks on V-kujuline, sisaldab 2 apoensüümi. Kuna DNA replikatsioon saab toimuda ainult ühes suunas, 5' ® 3' suunaliselt, replikatsioonikahvlis toimub süntees aga mõlemalt ahelalt korraga, on teine ahel replikatsioonikompleksis linguna kaasas ning sealt toimub süntees Okazaki fragmentidena. Polümeraasi õlad sünteesivad erinevaid ahelaid - vasak õlg pidevalt sünteesitavat juhtivat ahelat ning parem õlg Okazaki fragmentidena sünteesitavat mahajäävat ahelat.
DNA sünteesil tekib vigu sagedusega on 10-4 kuni 10-6 lülitatava nukleotiidi kohta. Selleks, et geneetilise materjali reprodutseerimise käigus ei toimuks vigade kuhjumist, on DNA polümeraasil korrigeeriv aktiivsus, mille tulemusena ensüümi töö täpsus tõuseb mitu suurusjärku (vigade teke sagedusega 10-8). DNA polümeraas III subühik e ( epsilon ) vastutab DNA replikatsiooni täpsuse eest, tal on 3’ ® 5’ eksonukleaasne aktiivsus, mis võimaldab valesti DNA ahelasse lülitatud nukleotiidid kõrvaldada (annab DNA polümeraasile “proofreading” aktiivsuse e korrigeeriva aktiivsuse).
Eukarüootse kromosoomi replikatsioon.
 
Enamus informatsiooni DNA replikatsiooni kohta on saadud E. coli ja tema viiruste replikatsiooni uuringutest. Eukarüootse DNA replikatsiooni kohta on vähem teavet, kuid ka selle põhjal võib öelda, et nii eukarüoodi kui ka prokarüoodi DNA replikatsiooni põhimehhanismid on samad. Mõlemal juhul toimub replikatsioon semikonservatiivse mudeli alusel, ühelt DNA ahelalt pidevalt, teiselt Okazaki fragmentidena. Siiski on eukarüoodi DNA replikatsioonil ka unikaalseid aspekte .
 
1) Kuna eukarüoodi kromosoomid on võrreldes prokarüoodi kromosoomidega oluliselt suuremad, on neil palju replikatsiooni alguspunkte . Vastasel juhul, kui replikatsioon algaks ainult ühest kohast, kuluks kogu kromosoomi replikatsiooniks liiga palju aega. Näiteks äädikakärbse kõige suurema kromosoomi replikatsiooniks 3,5 minuti jooksul on vaja, et tööd alustaksid korraga 7000 replikatsioonikahvlit. DNA segmenti , mille replikatsiooni kontrollitakse ühe replikatsiooni alguspunkti ja 2 termineeriva järjestuse poolt, nimetatakse replikoniks. Eukarüoodi kromosoomil on palju replikone. Prokarüoodil võib replikoniks olla terve kromosoom.
 
2) Eukarüootidel on juhtiva ja mahajääva DNA ahela sünteesiks 2 erinevat DNA polümeraasi. Lisaks osaleb protsessis terve rida abistavaid valke.
 
3) Kromosoomid on lineaarsed DNA molekulid. Selleks, et replikatsiooni käigus geneetilist materjali kromosoomide otstest kaotsi ei läheks, on välja kujunenud spetsiifiline mehhanism , mis põhineb telomeeride struktuuri omapäral. Telomeeride pikendamisel osaleb RNA-d sisaldav ensüüm telomeraas . Inimese telomeerid sisaldavad tandeemselt korduvat järjestust TTAGGG. Telomeraas tunneb ära G-rikka järjestuse telomeeri 3’ üksikahelalisest otsast ja pikendab seda 5’® 3’ suunas, kasutades matriitsina kaasas olevat RNA-d. Kui telomeraas on telomeeri otsa piisavalt pikendanud, olles sünteesinud sinna kordusjärjestust, sünteesib DNA polümeraas pikendatud ahelale komplementaarse ahela.
TRANSKRIPTSIOON
Transkriptsioon - RNA süntees. Transkriptsioon tähendab mahakirjutamist ja tähistab molekulaarbioloogias RNA sünteesi DNA matriitsi alusel. Transkriptsiooni viib läbi DNA-sõltuv RNA polümeraas. RNA polümeraase on väga palju erinevaid tüüpe. Eukarüootides on kolm erinevat RNA polümeraasi, mis sünteesivad erinevaid RNA molekule. RNA sünteesil on substraatideks (ribo-) nukleosiid 5’-trifosfaatidest. Sünteesitud RNA ahel vastab üks-üheselt temaga antiparalleelsele DNA matriitsahelale komplementaarsusprintsiibi alusel. RNA järjestusega identset DNA ahelat nimetatakse kodeerivaks ahelaks. RNA sünteesi käigus toimub DNA ahelate lahtiharutamine. Algne DNA struktuur taastub peale transkriptsiooni lõppu.
Transkriptsiooni algatab ja viib läbi DNA-st sõltuv RNA polümeraas, mis on enamasti multimeerne ensüüm. Transkriptsiooni initsiatsioonil tunnevad nad ära väga spetsiifilisi DNA järjestusi ning ei vaja aktivatsioonil lisafaktoreid. Spetsiifilist DNA piirkonda, millega RNA polümeraas seondub , nimetatkse promootoriks. Bakterite RNA polümeraas koosneb viiest subühikust. Apoensüüm - koosneb neljast subühikust ja on võimeline katalüüsima RNA sünteesi. Apoensüümi subühikud on erinevates organismides struktuurselt lähedased.
Holoensüümi koosseisu kuulub ka sigma faktor. Sigma faktor on vajalik RNA polümeraasi spetsiifiliseks seondumiseks promootoralale ja transkriptsiooni avatud kompleksi moodustumiseks. RNA polümeraasi subühikud on eraldivõttes inaktiivsed. Pärast esimese 10 nukleotiidi sünteesi vabaneb sigma faktor multiensüümkompleksist ning RNA polümeraas on võimeline DNA-l edasi liikuma. Toimub RNA ahela elongatsioon.
RNA polümeraas võib transkriptsiooni käigus peatuda juuksenõelastruktuuride moodustumise tõttu vast-sünteesitud mRNA-s. Peatumise aeg varieerub, sõltudes RNA järjestusest. Terminaatoritena transkriptsioonil toimivate sekundaarstruktuuride puhul peatub RNA polümeraas ligikaudu 60 sekundit. RNA sekundaarstruktuuri tekkimine võib destabiliseerida DNA::RNA hübriidi. Selle tulemusena RNA dissotseerub ja transkriptsiooni elongatsioonikompleks laguneb. Terminatsiooni võib põhjustada ka spetsiifilise terminatsioonifaktori seondumine RNA-le. Sellest tulenevalt on bakterites kirjeldatud 2 erinevat terminatsioonimehhanismi:

rho-sõltuva mehhanismi puhul seondub heksameerne rho valk RNA 5’ otsast spetsiifilisele järjestusele ja jõuab järele RNA polümeraasile, mis on peatunud RNA sekundaarstruktuuri tõttu. Selle tulemusena dissotseerub RNA rho-sõltuva terminaatorjärjestuse kohal matriitsilt.

rho-sõltumatu terminatsiooni mehhanismi korral on terminaatoriks järjestus, mis kodeerib stabiilset G-C rikast juuksenõelastruktuuri ning sellest 3’ suunas jääb mitu U-d. Terminatsioon toimub pärast U-de lülitumist. Juuksenõela moodustumine viib RNA:DNA hübriidi lahutamisele U-rikkast järjestusest.
Eukarüootsetes (päristuumsetes) rakkudes toimub transkriptsioon põhiliselt sama skeemi kohaselt nagu prokarüootideski kuid esineb siiski ka teatavaid erinevusi. Nagu eespool mainitud , on eukarüootidel kolm erinevat RNA polümeraasi, mis sünteesivad erinevaid RNA molekule. Transkriptsiooni esimeses etapis sünteesitakse nn. premRNA, mis sisaldab oma stuktuuris nii valgu sünteesi kodeerivaid piirkondi – eksoneid- kui ka valgu sünteesiks mittevajalikke järjestusi – introneid. RNA sünteesi järgmises etapis toimub mittekodeerivate järjestuste väljalõikamine ehk splaising . Selle tulemusena saadakse nn. küps-RNA.
mRNA-de sünteesil esineb veel kaks olulist etappi. Transkriptsiooni käigus lisatakse eukarüootse pre-mRNA 5’ cap (müts). Müts kujutab endast modifitseeritud struktuuriga guaniini jääki - m7G cap -. mis on mRNA-ga ühendatud 5’-5’ sidemega. Prokarüoodis sellist struktuuri ei esine. Eukarüootse mRNA 3’ otsas on kuni 200 nukleotiidi pikkune polü(A) järjestus, mis lisatakse mRNA 3´-mittetransleeritavas osas paiknevale polü(A) signaaljärjestusele (AAUAAA). Selle tulemusena saadakse küps-mRNA.
GENEETILINE KOOD
Geneetiline kood tehti kindlaks selle sajandi 60ate esimesel poolel põhiliselt M. Nirenberg’i, Ph. Leder’i ja K. Khorona tööde tulemusena. Geneetiline kood on sõnastik, mille abil tõlgitakse nukleiinhapete järjestuses sisalduv gneetiline informatsioon valkude aminohappeliseks järjestuseks. Kolme nukleotiidiline järjestus – koodon - vastab ühele aminohappele. Kuna valgusünteesil on informatsiooni kandjaks RNA (mRNA), siis moodustuvad koodonid neljast erinevast nukleotiidist (A, C, G ja U). Nelja nukleotiidi kolme kaupa kombineerides saame 43=64. Seega koosneb geneetilise koodi sõnastik 64’st kolmetähelisest sõnast, millele vastavad 20 erinevat aminohapet. See elu seisukohalt väga oluline sõnastik on enamuses organismides sama nn. universaalne geneetiline kood (UGK). Koodi universaalsust kasutatakse elu monofüleetilise päritolu argumendina, kuigi rangelt võttes näitab see ainult UGK monofüleetilist päritolu. Nukleotiididest moodustunud sõnu on rohkem kui aminohappeid , seega on osa koodoneid sünonüümsed st. neil on sma tähendus ja nad kodeerivad samu aminohappeid. Lisaks aminohappeid kodeerivatele koodonitele on UGK’s ka kolm stop koodonit , millele ei vasta ühtegi aminohapet, aga mida kasutatakse valgusünteesi lõpetamisel nagu punkti lause lõpus. Stop koodoneid e. terminaatoreid tunnevad ära terminatsioonifaktorid, mis osalevad valgusünteesi lõpetamisel. Stop koodoneid on kutsutud ka nonsens koodoniteks, aga see ei ole täpne termin, kuna stop koodonitel on kindel tähendus. Geneetilise koodi mitmetähenduslikkus, ühele aminohappele mitme koodoni vastavust, nimetatakse koodi kõdumiseks. Informatsiooni kõdumine geneetilise informatsiooni käigus näitab, et nukleiinhappe järjestuse tõlkimisel valgu järjestuseks läheb osa informatsiooni kaduma - valgu järjestusest nukleiinhappe järjestuseks ei ole ühetähenduslikku tagasiteed.
TRANSLATSIOON
Translatsioon - valgu biosüntees. Translatsioon tähendab tõlkimist. Molekulaarbioloogias tähendab translatsioon RNA (seega ka DNA) nukleotiidse järjestuse tõlkimist valkude aminohappeliseks järjestuseks. Valkude sünteesiks vajalikku geneetilist informatsiooni kannab mRNA (matriits- ehk informatsiooniline -RNA). Valgu biosünteesi viib läbi ribosoom , RNA’st ja valkudest koosnev organoid . Aminohapped seatakse ribosoomi abil vastavusse mRNA’s sisalduva geneetilise informatsiooniga tRNA (transport-RNA) vahendusel. Aminohappe sidumine vastava spetsiifilise tRNA molekuliga toimub ensüümide - aminoatsüül-tRNA süntetaaside vahendusel. Ribosoomides seatakse vastavusse mRNA’s paiknev kolmest järjestikusest nukleotiidist koosnev koodon tRNA’s sisalduva antikoodoniga. Ribosoom sünteesib tRNA küljes olevate aminohapete vahele peptiidsideme. Valgu biosünteesil osalevad veel paljud valgulised faktorid, ATP ja GTP ning veel mitmed molekulid, mida käsitleme valgusünteesi peatükis. Valkude ruumilise struktuuri moodustumine toimub nii translatsiooni käigus kui peale seda.
1. Transport-RNA struktuur
Transport RNA (tRNA) avastati 50. aastate lõpul. tRNA oli esimene RNA, mille primaarstruktuur kindlaks tehti ja samuti esimene RNA molekul, mille ruumilist struktuuri tundma õpiti. Tänaseks on teada paljude tuhandete tRNA molekulide primaarstruktuur väga pajudes eri liikidest. Kõigi tuntud tRNA molekulide ruumiline struktuur on sarnane nii sekudaar- kui tetsiaarstruktuuri tasemel. tRNA molekulide pikkus varieerub tavaliselt 74-92 nukleotiidini, kuigi üksikud erandid on mõnevõrra lühemad või pikemad. tRNA nukleotiidid on nummerdatud ühtse nomenklatuuri alusel, esimene nukleotiid on 5’ otsas.
Sekundaarstruktuur on tRNA molekulidel samuti konserveerunud, mida iseloomustatakse ristikheina lehe kujuga. tRNA sekundaarstruktuuri moodustavad 4 kaksiahelalist osa (õlga) ja 4 üksikahelalist piirkonda.
tRNA molekuli otsad asuvad lähestikku, nende paardumisel tekkiv kaksiahelaline osa e. õlg kannab nime aktseptoorne õlg. Viimase pikendus on üheahelaline osa 3’ otsas, millele liidetakse estersidemega karbonüülradikaali kaudu aminohape. Aktseptor -õlg on 7 aluspaari pikk.
T-õlg on saanud oma nime modifitseeritud lämmastikaluste pärast, mis asuvad T-aasas. Need alused on ribosüültümidiin (tRNA sünteesi käigus on sellel kohal harilik U nukleotiid, mis muudetakse tümidiiniks juba tRNA koosseisus nn. post-transkriptsiooniline modifikatsioon ) ja pseudouridiin (ka pseudouridiin tekib transkriptsioonijärgse modifitseerimise tulemusena).
Antikoodon õlg on alati 5 aluspaari pikk ja nagu nimi ütleb, sisaldab antikoodon ling kolme nukleotiidist antikoodonit, mis määrab tRNA koodoni spetsiifika.
D-õlg, mis koosneb tavaliselt 4 aluspaarist ja kannab D-lingu, on saanud nime dihüdrouridiinjääkide (jällegi RNA sünteesijärgne modifikatsioon).
Lisaks neile sisaldavad paljud tRNA molekulid lisaõlga.
2. Ribosoomid ja valgusünteesi.
Ribosoomid viivad kõikides organismides läbi valgusünteesi kasutades aminoatsüül-tRNA’d (aa-tRNA) substraadina. Süntees toimub vastavalt mRNA programmile. Ribosoomid koosnevad alati kahest ebavõrdsest osast, suurest ja väiksest subühikust. Nimetus “ribosoom” tuleneb RNA sisaldusest. Ribosoomi mõlemad subühikud koosnevad RNA’st ja valkudest.
Bioloogiliste makromolekulide ja nende komplekside suuruse iseloomustamiseks kasutatakse raskusväljas liikumise kiirust. Viimast kirjeldab Svedbergi ühik (S). Mida suurem partikkel , seda suurem S väärtus. Raskusväljas liikumise kiirus (S) sõltub nii partikli molekulmassist kui tema mõõtmetest (tihedusest) kusjuures see sõltuvus on mittelineaarne. Ribosoomide komponente ja nende suurust esitab järgmine tabel
Ribosoomide komponendid E. coli’s ja inimeses (vastavate komponentide molekulamssid on sulgudes).
Ribosoom
Subühikud
rRNA
r-Valgud
Bakteriaalne ribosoom
(2,5x106 D)
väike 30S
suur 50S
16S - 1542
23S - 2904, 5S - 120
21 (6-61 kD) S-valgud
33 (5-30 kD) L-valgud
Inimese
ribosoom
(4,2x106 D)
väike 40S
suur 60S
18S - 1874
28S - 4718, 5,8S - 160, 5S - 120
33 S-valgud
49 L-valgud
Ribosomaalne RNA (rRNA) moodustab bakteriaalsetes ribosoomides 66% massist ja eukarüootsetes ribosoomides 60% massist. Ribosoomid ise moodustavad bakterites 20-40% kuivmassist, eukarüootides tunduvalt väiksema osa.
Ribosoomis on kolm tRNA sidumispiirkonda, mida nimetatakse tRNA sidumis-saitideks.
A-saiti seondub aminoatsüül-tRNA (millest ka nimi). Samas kohas toimub ka aa-tRNA’de valik mRNA koodoni alusel. A-saidis olev aa-tRNA reageerib ribosoomis peptidüül-tRNA’ga, mille tulemusena moodustub peptiidside.
P-saiti seondub peptidüül-tRNA. Saidi nimetus tulebki peptidüül-tRNA järgi.
E- sait on deatsüleeritud tRNA spetsiifiline. Peale seda kui P-saidis tekkis deatsüül- tRNA liiguvad tRNA’d koos mRNA’ga ribosoomis ühe koodoni võrra edasi ja deatsüül-tRNA satub E-saiti. E-sait on saanud oma nime selle järgi, et selle koha kaudu väljub ribosoomist deatsüül-tRNA et minna “uuele ringile”. Nii A- kui P-saidis toimub tRNA antikoodoni paardumine mRNA koodoniga.
Lisaks tRNA sidumiskohtadele on ribosoomis veel aktiivtsentrid. Ribosoomi väiksemal subühikul mRNA sidumispiirkond, mis toimib valgusünteesi initsiatsioonil. See piirkond koosneb eranditult rRNA’st ja moodustub 16S rRNA 3’ otsas, mis paardub mRNA ribosoomi seondumispiirkonnaga (nn. anti- Shine - Dalgarno järjestus).
Valgusüntees ribosoomidel jagatakse kolmeks etapiks: initsitsioon, elongatsioon ja terminatsioon. Initsiatsioonil toimub ribosoomi subühikute assotseerumine, valku kodeeriva ala alguse leidmine mRNA’l, õige lugemisraami fikseerimine ja esimese peptiidsideme süntees. Elongatsiooni käigus toimub valguahela pikenemine kuni stop-koodonini. Terminatsioonil toimub stop-koodoni äratundmine terminatsioonifaktori poolt, sünteesitud valgu, mRNA ja tRNA vabanemine ning ribosoomi subühikute eraldumine. Sellega on taastunud ribosoomide algne olek, st. subühikud on eraldi.
Valgusünteesi initsiatsioon. Osalevad lisaks ribosoomidele ka valgulised initsiatsioonifaktorid, IF-1, IF-2 ja IF-3.
Valgusünteesi elongatsiooni käigus toimub ribosoomis peptiidahela pikendamine vasavalt mRNA programmile kuni ribosoomi dekodeerivasse tsentrisse jõuab üks kolmest stop-koodonist. Elongatsioonil osalevad lisaks ribosoomidele, mRNA’le ja aa-tRNA’le veel elongatsioonifaktorid: EF-Tu, EF-Ts ja EF-G ning kofaktorina GTP.
Peptiidahela terminatsioonil osalevad terminatsioonifaktorid RF-1, RF-2, RF-3 ja RRF. Nimed tulenevad sõnadest release (vabanema ingl. k.) ja factor, RRF tuleneb ribosome release factor’ist. Terminatsioonifaktorid RF-1 ja RF-2 tunnevad kumbki ära kaks terminaator -koodonit. RF-1 seondub spetsiifiliselt UAA ja UAG stop-koodoniga (kooditabelis asuvad need koodonid kõrvuti vertikaalselt). RF-2 tunneb ära stop-koodoneid UAA ja UGA (kooditabelis horisontaalsed naabrid ). Seega tunnevad mõlemad terminatsioonifaktorid ära stop-koodoni UAA ja ülejäänud stop- koodonite jaoks on kummalegi oma faktor. Seepärast pole üllatav, et UAA on kõige tugevam ja kõige sagedamini esinev stop-koodon bakterites.
3. mRNA bakteritel ja eukarüootidel.
Bakteriaalne mRNA on reeglina polütsistroonne, st. üks mRNA kodeerib mitut valku. Valku kodeerivat järjestust nii mRNA’l kui DNA’l nimetatakse ka avatud lugemisraamiks, lühend ORF ( open reading frame ). Avatud lugemisraam on nukleiinhappe järjestus, mis sisaldab järjestikuseid aminohappeid kodeerivaid koodoneid ja mis algab initsiaator -koodoniga ning lõpeb stop-koodoniga. mRNA’d sisaldavad lisaks kodeerivale järjestusele (ORF’le) ka speisserjärjestusi. Enne (5’ poolselt) ORF’i asub liiderjärjestus ja peale viimast ORF’i on treilerjärjestus. Erinevate lugemisraamide vahel asuvad inter -tsistroonsed speisserid. Initsiatsiooniprotsessi käigus otsib ribosoom üles ORF’i alguskoha st. initsiaator-koodoni, mis on enamasti AUG. Bakteriaalsetel mRNA’del eelneb initsiaator-koodonile ribosoomi sidumispiirkond RBS (ribosome binding site). RBS on 4-7 nukleotiidine järjestus, mis on komplementaarne ribosoomi väiksema subühiku RNA (16S rRNA) 3’ otsaga. RBS paikenb AUG koodonist 5-7 nukleotiidi eespool (5’ suunas). RBS järjestust kutsutakse ka Shine-Dalgarno järjestuseks (lühend SD) avastajate järgi.
Eukarüootse translatsiooni eripära
Eukarüootsetes (päristuumsetes) rakkudes toimub valgusüntees põhiliselt sama skeemi kohaselt nagu prokarüootideski. Nagu eespool kirjeldatud on eukarüootide ribosoomid suuremad ja sisaldavad suhteliselt rohkem valku. tRNA molekulid on eukarüootides sama suured kui bakteris. Nagu prokarüootides on ka eukarüootides initsiatoorne tRNA eriline metionüül-tRNA, mida aga ei formüleerita. Tähistus: Met-tRNAiMet.
mRNA ehitus eukarüootides on võrreldes prokarüootsete mRNA-dega oluliselt erinev:
1. Eukarüootne mRNA on reeglina (>90%) monotsistroonne ja kodeerib seega ainult ühte valku. Prokarüootne mRNA on reeglina polütsistroonne st. kodeerib mitut erinevat valgu molekuli (ühes mRNA molekulis on mitu ORF’i ehk avatud lugemisraami). otsa m7G
2. Transkriptsiooni käigus lisatakse eukarüootse mRNA 5’ cap (müts). m7G cap on mRNA-ga ühendatud 5’-5’ sidemega. Prokarüoodis sellist struktuuri ei esine.
3. Eukarüootse mRNA 3’ otsas on kuni 200 nukleotiidi pikkune polü(A) järjestus, mis lisatakse mRNA 3´-mittetransleeritavas osas paiknevale polü(A) signaaljärjestusele (AAUAAA).
4. Eukarüootse mRNA initsiaator-AUG on raamistatud spetsiifilise kontekst-järjestusega A/GNNAUGG, mida nimetatakse avastaja järgi Kozak’i konsensuseks ja mis soodustab oluliselt translatsiooni initsatsiooni. Bakteris täidab sarnast rolli Shine-Dalgarno järjestus.
MUTATSIOONID
Mutatsiooniks nimetatakse mistahes muutust DNA järjestuses võrreldes esialgse järjestusega. Single mutation mutatsioon , mis on tekkinud replikatsiooni vea, rekombinatsiooni, aluspaari muutuse jne. tagajärjel DNA ahelas. Vaatamata sellele, et kõik pärilikud muutused DNA järjestuses on mutatsioonid, ei kajastu muutused sageli organismi fenotüübis. Selliseid mutatsioone nimetatakse ka vaikivateks mutatsioonideks. Mutatsioone, mis toovad kaasa organismi hukkumise, nimetatakse letaalseteks mutatsioonideks.
Mutatsioone võib eristada ka selle järgi kui tugev on nende mõju fenotüübile Teisiti öeldes kas mutatsioon on n.ö. lekkiv või mitte. See tähendab, et vaatamata mutatsioonile geen säilitab siiski teatud aktiivsuse. Lisaks sellele on veel üks tüüp mutatsioone, mille tulemusena võib samuti geeni osaline aktiivsus säilida kuid mitte alati. Sellised mutatsioonid põhjustavad aminohapete vahetust valgus, mille põhjustab koodonite muutus DNA ahelas. Aminohapet määrava koodoni asendumisel stopp-koodoniga (UAA UAG UGA), nimetatakse tekkinud mutatsiooni mõttetuks mutatsiooniks.
Mutatsioone võib jagada veel kahte suurde rühma:
Spontaansed mutatsioonid.
Indutseeritud mutatsioonid. Nimetatud mutatsioonid tekivad tavaliselt mitmesuguste keemiliste või füüsikaliste tegurite mõjul. Keemilisi ühendeid, mis põhjustavad muatatsioonide teket nimetatakse mutageenideks. Mutageene võib jagada toime järgi kahte rühma:
mutageenid , mis toimivad ainult replitseeruvale DNAle – lämmastikaluste analoogid
mutageenid, mis toimivad nii replitseeruvale kui ka mittereplitseeruvale DNAle – alküleerivad ühendid, lämmastikushape.
Lisaks mutatsioonide tekkimisele võib toimuda ka sellele vastupidine protsess e. reversioon. Tekkinud mutante nimetatakse siis revertantideks. Reeglina toimub selle protsessi tulemusena esialgse fenotüübi taastumine.
1. Mutatsioonide teke.
Seega põhjustavad mutatsioone nii aluspaari muutus DNA ahelas kui ka suuremad muutused – deletsioonid, insertsioonid ja inversioonid.
1.1. Aluspaaride muutusest põhjustatud mutatsioonid.
Aluspaaride muutusi saab klassifitseerida kui:
transitsioonid – puriin asendub puriiniga, pürimidiin pürimidiiniga
(A→G; C→T) AT→GC; CG→TA
transversioonid – puriin asendub pürimidiiniga ja vastupidi; GC→TA; CG→AT
Sellised vead võivad tekkida DNA replikatsioonil ning sageli DNA polümeraas mingil põhjusel neid ei kõrvalda.
2.2. Vale paardumine.
N-aluste tautomeeria
1. N-aluste deamineerimine – selle tulemusena vastav N-alus kaotab aminorühma.
See võib toimuda spontaanselt:
Tsütosiin muutub uratsiiliks
5-Metüültsütosiin muutub tümiiniks
Mutageenide toimel:
hüdroksüülamiinide toimel
Tsütosiin muutub uratsiiliks
Tsütosiin muutub hüdroksüülaminotsütosiiniks (viimane paardub adeniiniga)
bisulfitite toimel
Tsütosiin muutub uratsiiliks (ainult üksikahelalises DNAs)
lämmastikushape toimel
Adeniinist muutub hüpoksantiin (viimane paardub tsütosiiniga)
Tsütosiin muutub uratsiiliks
Guaniin muutub ksantiiniks (viimane paardub )
Deamineeritud aluste kõrvaldamiseks on rakkudes olemad spetsiifilised reparatsiooni mehhanismid . Vastavaid ensüüme nimetatakse glükosülaasideks ning nad lõhuvad glükosiidse sideme suhkru ja N-aluse vahel. Iga deamineeritud aluse jaoks on oma spetsiifiline ensüüm. Edasi asub tööle AP-eksionukleaas (exinuclease), mis lagundab suhkur ja fosfaatrühma vahelist sidet puuduva nukleotiidi kõrvalt.
2. Reaktiivsed hapnikuradikaalid – põhiliselt kahjustavad G jääke, millest tekib 7,8-dihüdro-8-oksüguaniin (8-oxoG). Tekkinud N-alus annab vale paardumise
(8-oxoG paardub adeniiniga).
Ka selle muutunud struktuuriga N-aluse kõrvaldamiseks DNA ahelast on olemas oma spetsiifiline reparatsiooni süsteem. Siia kuuluvad kolm geeni mutM, mutT ja mutY.
mutM – N-glükosülaas + AP- endonukleaas, kõrvaldab valesti lülitunud A jäägi asendades selle Cga.
mutY – N-glükosülaas, mis spetsiifiliselt püüab kõrvaldada 8-oxoG=A paarist sinna valesti lülitunud A
mutT – fosfataas ; 8-oxoGTP→8-oxoGMP
2.3. Raaminihke mutatsioonid.
Põhjuseks on ühe N-aluste paari kadumine või lisandumine. See võib toimuda nii spontaanselt kui ka mõnede mutageenide toimel. Selliste ühendite hulka kuuluvad 9-aminoakridiin, proflaviin, EtBr jt. Need nn. interkaleeruvadühendid paigutuvad ahelas kahe kõrvutioleva nukleotiidi vahele ja põhjustavad ahelate libisemist teineteise suhtes. Seda juhtub kõige sagedamini DNA piirkondades kus esinevad AT või GC kordused.
2.4. Deletsioon mutatsioonid
Enamasti on deletsioonide tekke põhjuseks mitmesugused rekombinatsioonid erinevate DNA molekuli piirkondade vahel. Sageli toimub see DNA järjestuste vahel, mis kujutavad endast otseseid kordusjärjestusi (samasuunalised 5´→3´suunas).
2.5. Inversioon mutatsioonid.
Põhimõtteliselt toimub nagu eelmisel, ainult järjestused, mille vahel see toimub on teineteise suhtes vastupidises orientatsioonis.
2.6. Insertsioonilised mutatsioonid.
Enamasti põhjustavad mobiilsed elemendid.
2. Reversioonid.
Põhimõtteliselt on võimalik ka nähtus, mille tulemusena mutandi fenotüüp taastub. See on võimalik siis, kui taastub DNA esialgne järjestus või kui toimub uus mutatsioon, mis elimineerib esimese mutatsiooni mõju. Viimati nimetatud juhul on meil tegemist nn. supressor mutatsiooniga. Supressor mutatsioonid võivad olla nii geenisisesed kui ka geenivälised.
Üks eriline tüüp geeni siseseid supressor mutatsioone on nn. nonsens supressor mutatsioonid. Selle olemus seisneb selles, et mutatsiooni tulemusena tRNA geenis muutub antikoodoni järjestus, nii et vastav antikoodon tunneb ära stoppkoodoni ning lülitab valgu molekuli aminohappe.
ÜLDISED REPARATSIOONISÜSTEEMID
Siia rühma kuuluvad reparatsiooni süsteemid võivad parandada erinevaid vigu DNA ahelas, mis on seotud valesti paardumisega, raaminihkega, N-aluste analoogide lülitumisega DNA ahelasse jne.
1. Mismatch reparatsioonisüsteem.
Selle süsteemi funktsioneerimiseks on vajalik kolme geeni poolt sünteesitavaid valke
MutS – valk mis seondub valesti paardunud nukleotiidide paariga
MutH – kaks molekuli seonduvad MutSiga
MutL – seondub kahe eelmisega
See reparatsioonis süsteem on seotud ka metülaasiga, mis spetsiifiliselt metüleerib adeniini järjestuses GATC/CTAG. mut süsteem on võimeline parandama vigu ainult mitte-metüleeritud DNA ahelas. Selle mõte seisneb selles, et kuna enamasti tehakse vigu uuesti sünteesitavas ahelas, siis on sellega välditud tekkivate mutatsioonide kinnistumine . Huvitav on selle süsteemi juures see, et reparatsioonilisel replikatsioonil osaleb DNA polümeraas III.
2. Väljalõikamis- reparatsioon .
See on samuti mittespetsiifiline reparatsiooni süsteem, mis on võimeline kõrvaldama erinevaid suuremaid vigu DNA ahelas. Kuid samas ei ole ta võimeline kõrvaldama väiksemaid vigu, mis on seotud näiteks valesti paardumisega.
Siia süsteemi kuuluvaid valke on hakatud nimetama Uvr valkudeks, kuna üheks nende funktsiooniks on nn. TT-dimeeri kõrvaldamine.
3. Replikatsioonijärgne reparatsioon.
See süsteem hakkab tööle siis, kui replikatsiooni kahvel on möödunud vigastatud kohast. See reparatsiooni süsteem vajab funktsionaalse RecA valgu olemasolu.
Paljud kemikaalid , nagu mitomütsiin C jt. põhjustavad DNA ahelate vahel ahelasiseste ristsidemete teket (kovalentsedsidemed kahe erinevas ahelas oleva N-aluse vahel). Sellisel juhul on vajalik kahe reparatsiooni-süsteemi vaheline koostöö. Esimese etapis lõikab UvrABC endonukleaas ühe ahela kummalgi pool ristsiiret ning seejärel DNA polümeraas I laiendab seda (lagundab osaliselt katkemiskohtade vahele jääva DNA piirkonna) tänu talle omase 5´eksonukleaasele aktiivsusele. Sellele järgnevalt toimub rekombinatsiooniline reparatsioon. peale seda lõigatakse ka teisest ahelast välja ristseoses olev nukleotiid tänu väljalõikamis reparatsioonile.
Lühiülevaade kromosoomidest
 
Rakkude jagunemisel on oluline, et geneetiline materjal jaotuks võrdselt mõlemasse tütarrakku. Geneetiline materjal on organiseerunud struktuuridesse, mida nimetatakse kromosoomideks. Prokarüootse raku genoomiks üks kaksikahelaline DNA molekul, mis on tavaliselt rõngasmolekul. Eukarüootidel on rohkem kui üks kromosoom. Mõnedel liikidel on erinevate kromosoomide arv isegi üle saja. Iga kromosoom koosneb lineaarsest DNA molekulist, mis on valkudega väga tihedalt kokku pakitud. Inimese kromosoomi DNA kontuurpikkus varieerub 2,5 kuni 5 cm vahel. Kõikide inimese kromosoomide DNA kogupikkus ulatub üle meetri. Jagunevates rakkudes on DNA kromosoomides eriti tihedalt kokku pakitud, kondenseerunud, ning iga kromosoom on valgusmikroskoobiga vaadeldes eristatav . Mittejagunevates rakkudes on DNA kokkupakituse aste väiksem ning kromosoomid ei ole üksteisest eristatavad. Jagunevates rakkudes on näha kromosoomide struktuursed iseärasused. Replitseerunud kromosoom koosneb kahest tütarkromatiidist, mis on teineteisega ühinenud tsentromeeri kaudu. Tsentromeeri asukoht on erinevatel kromosoomidel erinev, paiknedes kas kromosoomi keskel või ühes tema otsas. Kromosoomide liikumise eest vastaspoolustele raku jagunemise käigus vastutab tsentromeeris asuv kinetofoor.
 
Kromosoomide replikatsiooni ja tütarrakkudesse jaotumise seisukohalt on olulised teatavad DNA järjestuslikud elemendid. Mitmed DNA piirkonnad sisaldavad signaale DNA replikatsiooniks. Erinevalt bakteri kromosoomist algab eukarüootse kromosoomi replikatsioon paljudest kohtadest korraga. Tsentromeeri moodustaval DNA järjestusel on kaks erinevat funktsiooni – nende järjestuste kaudu on pärast DNA replikatsiooni omavahel ühendatud tütarkromatiidid ning siia kinnituvad ka valgud, mis viivad tütarkromatiidid jaguneva raku vastaspoolustele. Kromosoomide otstes on telomeersed DNA järjestused, mis vastutavad selle eest, et replitseeruks kogu kromosoomi DNA. Iga kromosoomi puhul on tegemist individuaalse lineaarse DNA molekuliga.
 
Rakutsükkel
 
Rakutsükli moodustab jada sündmusi, mille käigus toimub perioodiline DNA replikatsioon ning replitseerunud DNA jaotumine tütarrakkudesse. Eukarüootse raku rakutsüklis eristatakse nelja faasi – G1, S, G2 ja M. Kahte G faasi nimetatakse vahefaasideks, S faasis toimub DNA süntees ning M faasi ajal raku jagunemine. Imetaja rakkude puhul, mida on kasvatatud koekultuuris, kestab rakutsükkel umbes 24 tundi. G1 faas kestab 10 tundi ning sel ajal toimub rakus normaalne metabolism , rakk kasvab suuremaks, tema sisalduvate organellide arv kahekordistub ja toimub ettevalmistus DNA replikatsiooniks. S faas algab DNA replikatsiooniga ning kestab ligikaudu 9 tundi. S faasi lõpuks koosnevad kromosoomid kahest tütarkromatiidist. Kui replikatsioon on lõppenud, läheb rakk faasi G2, mis kestab neli tundi. Selles faasis jätkub raku kasvamine ja ta valmistub mitoosiks. Mitoos (M faas) e. raku jagunemine kestab ligikaudu tunni. Selle käigus liiguvad tütarkromatiidid jaguneva raku vastaspoolustele. Teineteisest eraldunud tütarrakud on geneetiliselt identsed.
 
Rakutsükli toimumine eukarüootidel on väga täpselt kontrollitud protsess. Üleminek ühest tsükli faasist teise toimub rakuväliste ja rakusiseste keemiliste signaalide koostoimel. Rakutsüklis eristatakse mitmeid kontrollpunkte. Sisenemine igasse järgmisesse faasi vajab kindlaid signaale. Neid signaale võtavad vastu valgud, mida nimetatakse tsükliinideks ning valgud, mis komplekseeruvad tsükliinidega – tsükliinidest sõltuvad kinaasid CDK. CDK valgud fosforüleerivad teisi valke, reguleerides sel teel nende valkude aktiivsust ja funktsioone. Üks kõige tähtsamaid rakutsükli kontrollpunkte START paikneb G1 faasi keskel. See kontrollpunkt on reguleeritud D tüüpi tsükliinide ja CDK4 poolt. Kui kontrollpunktis toimub vajalike signaalide rakule edastatamine tsükliin-CDK kompleksi poolt, valmistub rakk minema S faasi. Raku sisenemist S faasi võivad takistada veel hilises G1 faasis saadud negatiivsed signaalid nagu DNA kahjustused või toitainete vähesus. Neid signaale annavad edasi inhibiitorvalgud, pärssides tsükliin-CDK kompleksi toimimist rakus.
 
Vähirakkude puhul on sageli leitud, et tsükliin-CDK kompleksid on kaotanud reguleeritavuse mutatsioonide tõttu geenides, mis kodeerivad tsükliine või CDK valke. Kui näiteks kontrollpunkt START ei ole õigesti reguleeritav, muutuvad kontrollimatuks rakkude kasv ja jagunemine. Mitmete tuumorite puhul on kirjeldatud just selle kontrollpunkti regulatsiooni häireid. Normaalse rakutsükli regulatsiooni korral rakutsükkel DNA kahjustuste korral peatub, kuni DNA reparatsioonisüsteem need kahjustused kõrvaldab või kui kahjustusi ei suudeta parandada, siis läheb rakk apoptoosi ja sureb . Kui kontrollpunkt ei reageeri õigesti, võib DNA replikatsioon toimuda ka siis, kui DNA-s on kahjustusi. Selle tulemusena suureneb rakus mutatsioonide hulk, millest osa võivad põhjustada vähki.
 
Prokarüoodi genoom on haploidne, koosnedes ainult ühest kromosoomist, mis on tavaliselt DNA rõngasmolekul. Erinevalt eukarüootsest rakutsüklist ei ole prokarüootne rakutsükkel nii rangelt reguleeritud. Kiiresti kasvavas rakupopulatsioonis võivad bakterirakud jaguneda iga 20 – 30 minuti tagant. Kuna juba ainuüksi bakteri genoomi replikatsioon kestab ligikaudu 40 minutit, on rakutsükli erinevad etapid kattuvad. Samas bakterirakus võib olla erinevatel ajaetappidel algatatud kuni kolm DNA replikatsioonitsüklit, nii et samal ajal kui replitseerunud tütarkromosoomid teineteisest eralduvad ja toimub raku pooldumine , toimub neilt juba omakorda replikatsioon.
 
 
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.
Mitoosi kirjeldas esimesena 1879 -ndal aastal Walter Flemming. Mitoosiprotsess on pidev, kuid selle käsitlemise hõlbustamiseks on ta jagatud viieks erinevaks faasiks. 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 kinetofoorid, 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. Metafaasikromosoomide 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
 
Neli aastat pärast seda, kui oli esmakirjeldatud mitoosi, märkas Edouard van Beneden, et ümarussi Ascaris munarakkudes on kromosoome võrreldes somaatiliste rakkudega poole vähem. Liigile iselomulik kromosoomide arv taastus pärast munaraku viljastamist. Ta nimetas sellist rakujagunemist, kus kromosoomide arv väheneb poole võrra, meioosiks (vähendav jagunemine). Ta arvas ekslikult, et kõik emalt saadud kromosoomid liiguvad ühte tütarrakku ja isalt saadud teise. Tegelikult toimub homoloogiliste kromosoomide jaotumine tütarrakkude vahel juhuslikult. Kuigi meioosiprotsessi oli väga täpselt kirjeldatud juba 19-nda sajandi lõpul, ei osatud seda tol ajal veel pärilikkusega seostada.
Meioosis toimub kaks rakujagunemist. Esimene jagunemine (meioos I) on komplekssem ning seda nimetatakse ka redutseerivaks jagunemiseks. Selle jagunemise käigus homoloogilised kromosoomid paarduvad (konjugeeruvad) omavahel ning lahknevad seejärel juhuslikkuse alusel tütarrakkudese. Meioosi teisel jagunemisel (meioos II), mida nimetatakse ka võrdväärseks jagunemiseks jaotuvad tütarrakkudesse tütarkromatiidid nii, nagu see toimub ka mitoosis. Esimese meioosi profaas on pikk ja kompleksne ning on selle täpsemaks kirjeldamiseks jagatud viieks erinevaks staadiumiks. Leptonema käigus ilmuvad kromosoomid nähtavale. Zügonema staadiumis toimub homoloogiliste kromosoomide paardumine, mille käigus moodustuvad tetraadid, sest iga kromosoom koosneb kahest tütarkromatiidist. Samas ei ole tütarkromatiidid üksteisest veel eristatavad. Homoloogide kromatiidide vahel toimub DNA segmentide vahetus ristsiirde teel. Homoloogiliste kromosoomide kromatiidide vahel tekivad sünapsid. Jätkub ka kromosoomide kondenseerumine. Kolmandas staadiumis, mida nimetatakse pachynema, on näha, et iga kromosoom koosneb kahest tütarkromatiidist. Jätkub kromosoomide kondenseerumine. Diplonema staadiumis tõukuvad homoloogilised kromosoomid üksteisest eemale, kuid jäävad ühendatuks kiasmide kaudu. Diplonema staadium (kasutusel on ka sünonüüm diploteen) võib osade loomade ja ka inimese puhul kesta aastaid. Inimesel moodustub lootestaadiumis umbes 400000 küpsemata munarakku, ootsüüti, mille jagunemine peatub just selles staadiumis. Alles menstruatsioonitsükli käigus valmib kord kuus üks munarakk , läbides poolelijäänud meioosi. Mida kauem on meioos peatunud, seda suurem on oht, et kromosoomide jaotumises tütarrakkudesse võib olla vigu. Nii näiteks suureneb naistel vanemas eas risk sünnitada Downi sündroomiga laps, mida põhjustab 21 kromosoomi trisoomia . Profaasi viimases staadiumis diakineesis lühenevad kromosoomid veelgi ning tuumamembraan hakkab kaduma.
 
Esimeses metafaasis on kromosoomid tugevalt kondenseerunud ning homoloogiliste kromosoomide paarid asuvad raku ekvatoriaaltasapinnal. Nende tsentromeeride regiooni on seostunud mikrotuubulid ning homoloogiliste kromosoomide otste vahel on jälgitavad veel kiasmid .
 
Esimeses anafaasis liiguvad homoloogilised kromosoomid raku vastaspoolustele. Tütarkromatiidid jäävad omavahel tsentromeeride kaudu ühendatuks. Seega koosneb iga kromosoom ikka veel kahest tütarkromatiidist.
 
Järgneb telofaas, kus kromosoomid on jõudnud raku vastaspoolustele ning nende ümber moodustub tuumamembraan. Tütarrakkude tuumad on haploidsed, sisaldades kõigist homoloogiliste kromosoomide paaridest ühte kromosoomi. Lühikese interfaasi käigus DNA replikatsiooni ei toimu. Osade organismide puhul algab meioosi teine etapp vahetult pärast telofaasi ning interfaasi etapp jääb vahele.
 
Meioosi teine etapp meenutab mitoosi ainsa erandiga selles, et kromosoomide arv on poole väiksem. Anafaasis lahknevad tütarkromatiidid raku erinevatele poolustele .
 
Meioosi häired
 
Meioosi käigus võib esineda vigu kromosoomide jaotumises tütarrakkudesse. Selle tulemusena võib seemne- või munarakku sattuda mõni kromosoom topelt või jääb mõni kromosoom puudu. Kromosoomide ebavõrdset jaotumist meioosi teel esineb küllalt sageli ka normaalsete meeste seemnerakkude puhul – kuni 5% seemnerakkudest sisaldavad ebanormaalset kromosoomide komplekti. Kromosoomide normaalset lahknemist võivad mõjutada mitmesugused keskkonnategurid, näiteks röntgenkiirgus, kemikaalid. Olulist rolli mängib ka indiviidi vanus. Näiteks 20- aastastel naistel on risk saada Downi sündroomiga laps 4:10000, kuid 45-aastastel on see võimalus suurenenud 50 korda (200:10000). Samas esineb ealine sõltuvus ka meeste puhul – ligi 20% ebanormaalse kromosoomide arvuga lapsi sünnib kromosoomide ebavõrdse jaotumise tõttu vanemate meeste seemnerakkudes. Suguvõsade uuringutest on ilmnenud , et osades suguvõsa liinides esineb meioosi häireid sagedamini kui teistes. See viitab sellele, et nende indiviidide puhul on normaalne meioos häiritud mutatsioonide tõttu geenides, mis vastutavad homoloogiliste kromosoomide vahel toimuva geneetilise rekombinatsiooni või tsentromeeridele mikrotuubulite kinnitumise eest.
 
Meioosi evolutsiooniline tähtsus
 Esimeses meioosis toimub homoloogiliste kromosoomide juhuslik lahknemine tütarrakkudesse. Inimesel on näiteks 23 paari kromosoome. Iga kromosoomipaari puhul on 50%-line tõenäosus, et gameeti satub emalt päritud kromosoom. Tõenäosus, et ühte gameeti satuvad kõik emalt päritud kromosoomid, on äärmiselt väike – (1/2)23. Seega on kromosoomide võimalike kombinatsioonide arv 223. Geneetilist muutlikkust aitab suurendada veel meioosi esimeses profaasis toimuv geneetiline rekombinatsioon ( ristsiire ) homoloogiliste kromosoomide kromatiidide vahel.
 
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, milledest ühe 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.
 
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. 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 puberteedi eas 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 spermatosoidideks. Arenevad seemnerakud jäävad meioosi käigus üksteisega tsütoplasma sildade kaudu ühendatuks seni, kuni neist arenevad spermatosoidid. 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.
Mendelism: pärilikkuse üldprintsiibid
 
19. sajandi keskel uuris Brnos (Tsehhimaal) augustiinlaste kloostri munk Gregor Mendel (1822-1884), kes oli ka loodusteadlane ja kooliõpetaja, milliste seaduspärasuste alusel kanduvad organismide tunnused üle järglastele. 1865.a. avaldas ta tulemused, mis panid aluse uue teadusharu – geneetika sünnile. Mendel katsetas erinevate taimedega ja isegi mesilastega, kuid edu saavutas ta siiski eeskätt aedhernestega. Katsed hernestega olid lõpule viidud juba 1863. aastaks. Mendel kulutas veel paar aastat tulemuste analüüsimiseks, kuid kahjuks ei pälvinud tema artikkel tähelepanu selle sajandi alguseni .
 
Aastal 1900 otsisid sõltumatult kolm botaanikut Hugo de Vries Hollandist, Carl Correns Saksamaalt ning Eric von Tschermak-Seysenegg Austriast varem publitseeritud andmeid, mis kinnitaksid nende endi katsetulemusi pärilikkuseteoorias ja leidsid, et Gregor Mendel oli samad seaduspärasused kirjeldanud juba 35 aastat tagasi. Nüüd levisid Mendeli ideed kiiresti ja seda eeskätt tänu inglise bioloogi William Batesoni aktiivsele tutvustustööle. Pärilikkuseteaduse asemel võeti kasutusele uus termin geneetika (tuleneb kr. keelsest sõnast tähendusega “tekitama”).
 
Mendeli objekt aedhernes Pisum sativum
 
Mendeli edu tulenes õnnestunud objekti valikust. Aedherne eripäraks on see, et tema õite kroonlehed on allapoole tihedalt suletud, vältimaks tolmuterade väljumist ja võõraste sisenemist. Selline süsteem tagab iseviljastumise, kus nii munarakk kui ka seemnerakk pärinevad samast õiest. Erinevalt teistest bioloogidest, kes püüdsid korraga jälgida mitmete väga erinevate tunnuste pärandumise seaduspärasusi, kontsentreerus Mendel vähestele hästieristuvatele parameetritele – taimede pikkus, seemnete värvus.
 
Monohübriidne ristamine : dominantsuse ja lahknemise printsiip
 
Mendel ristas kõrgekasvulisi hernetaimi kääbuskasvulistega. Järglaskond oli kõrgekasvuline sõltumata sellest, kas tolmuterad, mida kasutati viljastamiseks, pärinesid kõrgekasvuliselt hernelt ja tolmendati kääbuskasvulise taime õisi või vastupidi. Kõrgekasvulise järglaskonna puhul toimus iseviljastumine ning järgmises põlvkonnas ilmnes tunnuste lahknemine. 1064 -st järglasest 787 olid kõrgekasvulised ja 277 kääbused, lahknemissuhe oli ligikaudu 3:1. Mendel märkas, et kääbuskasv võib hübriidides esineda latentsena, olla varjutatud faktori poolt, mis määrab taimede kõrge kasvu. Latentne faktor oli retsessiivne ja avalduv faktor dominantne. Mendel järeldas, et hübriidsete taimede järglaskonnas pidi olema toimunud dominantse ja retsessiivse faktori lahknemine. Kuidas teisiti oleks võimalik seletada kääbuskasvuliste järglaste ilmumist.
 
Mendel kordas katseid aedhernega ka teiste tunnuste pärandumise seaduspärasuste uurimiseks. Ta viis läbi seeria monohübriidseid ristamisi erinevate vastandlike tunnuste suhtes, jälgides seemnete tekstuuri, värvust, kaunade kuju ja värvust, õite värvust ja asukohta. Kõigil juhtudel avaldus hübriidsete taimede tunnuste puhul üks vastandlikest omadustest ning hübriidide iseviljastumise tulemusena saadud järglaskonnas toimus faktorite lahknemine suhtega 3:1. Hiljem, 1909. aastal võttis Taani taimearetaja W. Johannsen nende faktorite asemel kasutusele termini geen, mille retsessiivseid ja dominantseid vorme hakati nimetama alleelideks (kr. keeles “üks teisest”).
 
Mendel tegi oma katsetulemustest ka teise olulise järelduse: geenid esinevad paaridena. Taimed, mida ta kasutas ristamiseks, sisaldasid kahte identset geenikoopiat. Kaasaegse terminoloogia kohaselt olid need taimed diploidsed ja homosügootsed. Gameetides säilus aga ainult üks geenikoopia, need rakud olid kaasaegse terminoloogia põhjal haploidsed. Geenide diploidsus taastus sügoodi moodustumisel. Kui munarakk ja seemnerakk pärinesid geneetiliselt erinevatelt taimedelt, sisaldas sügoot kahte erinevat alleeli, millest üks pärines isalt ja teine emalt. Selline järglaskond oli heterosügootne.
 
Selleks, et tähistada pärilikkusefaktoreid, kasutas Mendel sümboleid. Geneetiliste sümbolite kasutamise kõige üldisemad printsiibid on tänapäevani säilunud. Näiteks taimede kasvu mõjutavaid alleele märgitakse järgmiselt: d – kääbuskasv (d pärineb inglise keelsest sõnast “dwarfness”, kääbusus); D - dominantne kõrget kasvu määrav alleel . Üldiselt lähtutaksegi sellest, et alleeli tähistus tuleneb retsessiivsest tunnusest. Seega märgitakse kõrgekasvuliste ja kääbuskasvuliste taimede alleelset koostist e. genotüüpi vastavalt DD ja dd. Tunnuste ilmetüüpi, antud juhul siis kõrget või kääbuskasvu, nimetatakse isendite fenotüübiks.
 
Ristamises osalenud vanemaid (inglise keeles “ parents ”) tähistatakse tähega P – P generatsioon . Nende hübriidset järglaskonda tähistatakse F1, tähistus tuleneb ladinakeelsest terminist. F1 põlvkond on genotüübilt Dd ja fenotüübilt kõrgekasvuline nagu DD genotüübiga vanematel. F1 järglased produtseerivad kahte tüüpi gameete – D ja d genotüübiga, alleelid D ja d lahknevad e. segregeeruvad teineteisest sõltumata. Iseviljastumise tagajärjel liituvad gameedid erinevates kombinatsioonides, produtseerides nelja tüüpi sügoote: DD, Dd, dD ja dd. Munarakust pärinev alleel märgitakse tavaliselt esimesena. Kuna D on dominantne alleel, siis on kolme esimese genotüübi puhul järglaskond ühesuguse fenotüübiga – kõrgekasvuline. Ainult genotüübi dd korral avaldub kääbuskasv. Seega on iseviljastumise teel saadud järgmine generatsioon F2 kas kõrgekasvuline või kääbuskasvuline lahknemissuhtega 3:1. Alleelide segregeerumise bioloogiliseks aluseks on homoloogiliste kromosoomide paardumine ja sellele järgnev lahknemine tütarrakkudesse meioosiprotsessis.
 
 
 
Seega kehtivad Mendeli poolt teostatud monohübriidsetel ristamistel kaks printsiipi :
 
1. Dominantsuse printsiip – heterosügootides esineb üks alleelidest varjatud kujul.
 
2. Segregeerumise printsiip – kaks erinevat alleeli segregeeruvad heterosügootide gameetide moodustumisel.
 
Neid kahte printsiipi tuntakse ka Mendeli I ja II seadusena:
Mendeli I seadus e. ühetaolisuse seadus – Erinevate homosügootsete isendite ristamisel on esimese põlvkonna järglased F1 kõik ühetaolised heterosügoodid sõltumata ristamise suunast .
Mendeli II seadus e. lahknemisseadus – Heterosügootide (hübriidide) järglaskonnas toimub geneetiline lahknemine, nii et kindlates sagedussuhetes tekivad nii homosügootsed kui ka heterosügootsed isendid.
 
Dihübriidne ristamine: sõltumatu lahknemise seadus e. vaba kombineerumise seadus (Mendeli III seadus)
 
Mendel viis läbi ka selliseid ristamisi, kus taimed erinesid teineteisest rohkem kui ühe tunnuse osas. Ta ristas kollaste ja ümmarguste seemnetega herneid roheliste ja kortsus seemnetega hernestega. Katse eesmärgiks oli kontrollida, kas kaks tunnust, seemnete värvus ja tekstuur päranduvad sõltumatult. Kuna F1 põlvkonna taimede seemned olid kollased ja ümmargused, olid vastavad alleelid dominantsed . F1 põlvkonnas ilmnesid neli erinevat fenotüüpi: vanematega sarnased kollased ja ümmargused ning rohelised ja kortsulised ja kaks uut kombinatsiooni – rohelised ja ümmargused ning kollased ja kortsulised. Seega olid värvus ja tekstuur kontrollitud erinevate geenide poolt, mis kandusid järglaskonda sõltumatult. Toimus ka mõlemate geenide alleelide lahknemine. Sellist kahe tunnuse suhtes jälgitavat ristamist nimetatakse dihübriidseks ristamiseks. Alleelide tähised tuletati retsessiivsetest omadustest: g – “green”; w – “wrinkled”. Kasutades sümboleid, näeb vastav ristamise skeem välja järgmine:
 
Vanemad P kollased, ümmargused rohelised, kortsulised
X
GG WW gg ww
 
Gameedid G W g w
 
F1 kollased, ümmargused
 
Gg Ww
 
Gameedid GW Gw gW gw
 
 
Iseviljastumine
 
F2 4 erinevat fenotüüpi, 9 genotüüpi
kollased, ümmargused 9/16
kollased, kortsulised 3/16
rohelised, ümmargused 3/16
rohelised, kortsulised 1/16
 
 
Erinevad alleelipaarid segregeeruvad, kombineeruvad üksteisest sõltumatult.
 
 
 
Mendeli seaduste kasutamine inimese geneetikas
 
Mendeli seadusi hakati laiemalt kasutama varsti pärast nende üleavastamist käesoleva sajandi algul. Inimese pärilikkuse geneetilise analüüsi aluseks on informatsioon, mis on saadud sugupuude uurimisest. Põhilised raskused seisnevad selles, et järglaskond on väike, sugupuud sageli ebatäielikult koostatud, alati pole kirjas õige isa. Oluline on ka ajafaktor - mõned haigused ilmnevad alles keskeas. Sellegipoolest on tänaseks geneetiliselt iseloomustatud palju erinevaid haigusi ning indiviidide väliseid tunnuseid. Mõned näited: dominantsed tunnused on kääbuskasv, brahhüdaktüülia (lühikesed sõrmed), Huntingtoni tõbi (neuroloogiline defekt ), lokkis juuksed. Retsessiivsed tunnused on albinism ( pigmendi puudumine), alkaptonuuria, tsüstiline fibroos , Duchenne lihasdüstroofia, fenüülketonuuria, sirprakne aneemia .
 
Sugupuud on diagrammid , mis näitavad perekonnas olevaid sugulusastmeid. Meessoost indiviide tähistatakse ruutudega ja naissoost indiviide ringidega. Ringi ja ruutu ühendav horisontaalne joon näitab ühist järglaste saamist. Järglased näidatakse pealt ühendatud joonega , esmasündinu on kõige vasakpoolsem. Need indiviidid , kellel avaldub uuritav omadus, näidatakse värvitud või viirutatud sümbolitega. Põlvkonnad on tavaliselt tähistatud rooma numbritega.
 
Tavaliselt avalduvad dominantsed alleelid ka järgmistes põlvkondades. Dominantne alleel võib ilmuda perekonda ka mutatsiooni tagajärjel, kuid selle sündmuse tõenäosus on väga harv – üks miljonist. Need dominantsed tunnused, mis vähendavad fertiilsust ja elujõulisust, on populatsioonis väga harvad. Seega on selliseid tunnuseid kandvad inimesed enamasti vastava alleeli suhtes heterosügootsed.
 
Retsessiivseid tunnuseid on märksa raskem identifitseerida, sest vanematel ei pruugi need avalduda. Siiski on praeguseks kirjeldatud üle 4000 retsessiivse tunnuse. Retsessiivsed tunnused avalduvad sagedamini siis, kui vanemad on omavahel suguluses.
 
Mendeli seadusi on võimalik kasutada arvutamaks, millise tõenäosusega sünnib vanematel haige laps. Näiteks on mõlemad vanemad heterosügootsed retsessiivse alleeli suhtes, mis põhjustab tsüstilist fibroosi. Kui perekonda sünnib 4 last, on võimalikud 5 erinevat varianti : kõik lapsed on normaalsed, 1 on haige, 2 on haiged, 3 last 4-st on haiged ning kõik lapsed on haiged. Loogiline oleks arvata, et kõige tõenäolisemalt realiseerub variant 3 normaalset ja 1 haige laps. Konkreetse sünni puhul on ¾ tõenäosusega laps normaalne. Tõenäosus, et kõik lapsed oleksid normaalsed, on seega ¾ x ¾ x ¾ x ¾ = (¾)4 = 81/256. Võimalus, et 1 konkreetne laps sünnib haigena, on ¼. Seega tõenäosus, et kõik lapsed sünniksid tsüstilise fibroosiga, on (¼)4 = 1/256. Tõenäosus, et 3 last on normaalsed ja 1 haige, arvutatakse järgmiselt. Sõltuvalt haige lapse sünnijärjekorrast on 4 erinevat võimalust: NNNA, NNAN, NANN, ANNN, kus N = normaalne, A = haige. Iga võimalus realiseerub tõenäosusega (3/4)3 x ¼. Tõenäosus, et 1 laps 4-st sünnib haigena hoolimata laste sünnijärjekorrast on 4 korda suurem, 4 x (3/4)3 x ¼. Tõenäosus, et 2 lastest sünnivad tervena ja 2 haigusega, on 6 x (3/4)2 x (1/4)2, sest sel juhul on laste sünnijärjekorda arvestades 6 erinevat võimalust.
 
Mendelismi edasiarendus
 
Alleelne varieeruvus ja geeni funktsioon
 
Mendeli õpetuse järgi on igal konkreetsel geenil 2 alleeli – üks dominantne ja teine retsessiivne. Edasised uuringud on aga näitasid, et geenil võib olla rohkem kui 2 alternatiivset varianti, alleeli, ning iga alleel mõjutab fenotüüpi erinevalt.
 
Semidominantsus ja kodominantsus
 
Alleel on dominantne siis, kui tal on samasugune fenotüübiline efekt nii homosügoodis kui ka heterosügoodis, st. Aa ja AA on fenotüübiliselt eristamatud. Mõnel juhul on heterosügootide fenotüüp homosügootide fenotüübist erinev. Näiteks lõvilõua õied on valged, kui taim on homosügootne retsessiivse alleeli suhtes (ww) ja punased, kui taim on homosügootne dominantse alleeli suhtes (WW). Heterosügootsed taimed (Ww) on aga roosade õitega. Alleel W annab õitele punase värvuse, alleeli w puhul aga pigmenti ei toodeta. Pigmendi intensiivsus õie kroonlehtedes sõltub geeni doosist: homosügoodis WW on geeni produkti (punast pigmenti) 2 korda enam kui heterosügoodis Ww. Sellest ka roosad õied. Osaliselt dominantset alleeli, mis avaldub heterosügootides nõrgemini, nimetatakse ka semidominantseks alleeliks.
 
Inimese vererakud võivad toota 2 erinevat produkti – N ja M antigeeni. Neid antigeene toodavad sama geeni 2 alleelset varianti. Alleeli M suhtes homosügoodid toodavad ainult M antigeeni, alleeli N suhtes homosügoodid aga ainult N antigeeni. Heterosügootides üks alleel teist maha ei suru, vaid avalduvad mõlemad ning seetõttu on verest testitavad nii M kui ka N antigeen . Sel juhul on alleelid kodominantsed. Kuna kodominantsuse puhul avalduvad alleelid teineteisest sõltumatult, märgitakse mõlemad alleelid suurte tähtedega ja üleval indeksina. Seega on M ja N alleelide tähistused LM ja LN. Täht L tuleneb konkreetsel juhul erinevate veretühmade avastaja Karl Landsteineri nimest.
 
 
 
Mitmealleelsus
 
Klassikaline näide mitmealleelsusest esineb küülikute karvavärvust määrava geeni c puhul. Sellel geenil on 4 erinevat alleeli: c – albiino (c tuleneb inglisekeelsest sõnast “colorness”, värvusetu), ch – himaalaja , cch – chinchilla ja c+ – metsiktüüp. Homosügootses olekus on igal alleelil kindel toime karva värvusele. Cc küülikud on üleni valge karvaga, chch küülikud on valged mustade kõrvade, käppade ja ninaotsaga, cch cch küülikud on valgete karvadega, millel on mustad otsad ja c+ c+ küülikud on tumedakarvalised. Kuna enamus looduslikus populatsioonis elavaid küülikuid on tumedakarvalised, siis kutsutakse c+ alleeli metsiktüüpi alleeliks. + märk on geneetikutel metsiktüübi tähiseks. Geenid nimetatakse sageli mutantse alleeli järgi ja enamasti just selle alleeli järgi, mille efekt on kõige markantsem (antud juhul valge karvavärvus).
 
Mitmealleelsusega on seotud ka inimese AB0 vererühmade süsteem. Geenil, mis produtseerib kas A või B antigeeni, on 3 alleelset vormi: IA, IB ja I0. IA kodeerib A antigeeni, IB kodeerib B antigeeni ja I0 alleel ei määra midagi. 6 võimalikule genotüübile vastavad 4 fenotüüpi: A veregrupile (IAIA või IAI0), B veregrupile (IBIB või IBI0), AB veregrupile (IAIB) ja 0 veregrupile (I0I0). Alleelid IA ja IB on kodominantsed, kuid I0 on mõlema suhtes retsessivne. Kuna kõik geeni I 3 erinevat alleeli esinevad arvestatava sagedusega inimpopulatsioonis, nimetatakse seda geeni polümorfseks ( kreekakeelsest sõnast, mis tähendab “omab palju vorme”).
Alleelide seeriad
Erinevate alleelide kombineerumisel võivad alleelid omada erinevat efekti sõltuvalt sellest, milline alleel millisega on kombineerunud. Küüliku karvavärvust määravate alleelide vahel valitseb domineerumises hierarhia c+ > cch > ch > c. Lahtiseletatult tähendab see seda, et metsiktüüpi alleel on täielikult funktsionaalne, chinchilla ja himaalaja alleelid võimaldavad produtseerida pigmenti vaid osaliselt ning albiino üldsegi mitte. Erinevad alleelide kombinatsioonid heterosügootidel viivad erinevatele fenotüüpidele. Kõik metsiktüüpi alleeli omavad isendid on fenotüübilt tumedakarvalised, cchc heterosügoot hele chinchilla, cchch alleelidega küülik hele chinchilla mustade kõrvade, käppade ja ninaga ning chc heterosügoot on fenotüübilt himaalaja. Alleelide seeriates nimetatakse mittefunktsionaalseid alleele null või amorfseteks alleelideks. Osaliselt funktsionaalsed alleelid on hüpomorfsed, nad on retsessiivsed nende alleelide suhtes, mille funktsioon neid varjutab (tavaliselt metsiktüüpi alleel).
Mutatsioonide testimine alleelsuse määramiseks
 
Seda, kas mutantne fenotüüp on põhjustatud sama geeni alleelse teisendi poolt või mitte, saab testida näiteks testertüvega ristamise teel. Sellist analüüsi saab läbi viia retsessiivsete mutatsioonide uurimiseks. Ristamisse võetav testertüvi on homosügootne teatava geeni retsessiivse alleeli suhtes. Juhul, kui ka järglaskonnal avaldub mutantne fenotüüp, on mutantne alleel sama geeni variant, mille alleel testertüvel retsessiivne on. Näiteks äädikakärbsel Drosophila melanogaster on kirjeldatud 2 retsessiivset mutatsiooni – cinnabar ja scarlet, mis mõlemad põhjustavad kärbestel erepunast silmavärvi. Metsiktüüpi kärbestel on tumedad silmad. Selleks, et teha kindlaks, kas cinnabar ja scarlet mutatsioonid on toimunud samas geenis, st., kas tegemist on mutantsete alleelidega, ristati mutantseid kärbseid omavahel. Kuna järglased olid fenotüübilt metsiktüüp, olid mutatsioonid toimunud erinevates geenides, ristamise käigus toimus komplementatsioon mutantsete geenide suhtes. Kui testiti kolmandat mutatsiooni cinnabar-2, ristates mutantseid kärbseid cinnabar ja scarlet mutantidega, saadi mutantsed järglased cinnabar kärbestega ristates ja metsiktüüpi järglased scarlet mutatsiooni kandvate kärbestega ristates. Need tulemused näitavad, et cinnabar-2 ja cinnabar on ühe ja sama geeni alleelid.
 
Sel viisil ei saa testida dominantseid mutatsioone, sest dominantne alleel avaldub nii või teisiti, hoolimata sellest, millist mutatsiooni kannab ristamisse võetav testertüvi.
 
Mutatsioonide toime organismile võib olla erinev
 
Mutatsioonid, mis muudavad mõnda morfoloogilist tunnust, näiteks seemnete värvust või tekstuuri, on nähtavad mutatsioonid. Enamus neist on retsessiivse toimega.
 
Mutatsioone, mis takistavad organismi reproduktsioonivõimet, nimetatakse steriilseteks mutatsioonideks. Mõned steriilsed mutatsioonid mõjutavad mõlemat sugupoolt, mõned on aga spetsiifilised kindlale soole. Toime soojätkamisele võib olla kas täielikult või ainult osaliselt pärssiv.
 
Mutatsioonid, mis kahjustavad organismi elulisi funktsioone, on letaalsed mutatsioonid. Nende fenotüübiline avaldumine väljendub organismi surmas ning seda enamasti juba looteeas. Enamus geene võivad muteeruda nii, et selle toime on organismi seisukohalt letaalne . Dominantsed letaalsed mutatsioonid kõrvalduvad ühe põlvkonna vältel, sest kõik järglased surevad. Retsessiivsed mutatsioonid võivad püsida populatsioonis kaua, kuna heterosügootides on nad varjutatud metsiktüüpi alleelide poolt. Retsessiivseid letaalseid mutatsioone on võimalik tuvastada siis, kui järglaskonnas toimub fenotüüpide osas ebatavaline lahknemine. Näiteks mutatsioon yellow-lethal (kollane-letaalne) Yl on hiirtel dominantne nähtav, kuna seda alleeli kandvatel hiirtel on karv hallikaspruuni asemel kollane. Samas on ta ka retsessiivne letaalne, kuna kahte seda alleeli kandvad järglased surevad juba embrüostaadiumis. Kuna värvuse seisukohalt on mutatsiooniga alleel dominantne, võiks heterosügootide ristamisel oodata järglaskonnas lahknemist suhtega 3 kollast:1 hallikaspruun. Tegelikult on see suhe aga 2:1, sest YlYl homosügoote ei sünni.
Geeni produkt on polüpeptiid
 
Polüpeptiidid on makromolekulid, mis koosnevad aminohapetest. Igas organismis sünteesitakse tuhandeid erinevaid polüpeptiide, mis erinevad üksteisest aminohappeliselt järjestuselt. Polüpeptiidid on aluseks valkudele . Valke, mis katalüüsivad biokeemilisi reaktsioone, nimetatakse ensüümideks. Osa valke on raku struktuurseteks komponentideks, samuti on transpordifunktsioonidega valke. Beadle ja Tatum postuleerisid, et iga geen vastutab konkreetse polüpeptiidi sünteesi eest. Kui geenis on mutatsioon, siis vastavat polüpeptiidi kas ei sünteesita või on sünteesiprodukt muutunud funktsioonidega. Need muutused kajastuvad ka fenotüübilistes muutustes.
 
Mis määrab selle, et osa mutatsioone on dominantsed, osa aga retsessiivsed?
 
Retsessiivsete mutatsioonide tagajärjel kaotab geen oma funktsiooni, mis viib selleni, et vastavat polüpeptiidi enam ei sünteesita või on sünteesitud polüpeptiid mittefunktsionaalne. Seega on retsessiivsete mutatsioonide puhul tegemist funktsiooni kaotanud alleelidega. Dominantse mutatsiooni puhul sünteesitakse aga polüpeptiid, mis käitub võrreldes algse polüpeptiidiga teisiti. Seetõttu nimetatakse dominantseid mutatsioone sisaldavaid alleele neomorfseteks, uue funktsiooni omandanud alleelideks. Dominantsete mutatsioonide näiteks võib tuua mutatsiooni hiire T geenis. Heterosügootses olekus põhjustab see mutatsioon hiire saba lühenemist, homosügootsed järglased hukkuvad aga juba embrüostaadiumis. T geen kodeerib 436 aminohappe pikkust polüpeptiidi, mis on võimeline seonduma DNA-ga ja reguleerima hiire normaalseks arenguks vajalike geenide avaldumist . Mutantse geeni produkt on lühem ja muutunud struktuuriga ning häirib heterosügootides normaalse valgu seondumist DNA-ga, muutes arenevas lootes geenide avaldumise taset. Seetõttu ongi mutantset alleeli kandvad hiired lühema sabaga . Kahte dominantset alleeli kandvates homosügootides on aga paljude arengubioloogiliselt oluliste geenide avaldumine häiritud, mistõttu järglasi ei sünni. Siinkohal tasub siiski märkida, et paljud dominantsed mutatsioonid võivad olla seotud just funktsiooni kadumisega.
 
 
Geenide fenotüübilist avaldumist mõjutavad tegurid
 
Keskkonna mõju geenide avaldumisele
 
Sama geeni erinevate alleelide poolt kodeeritud produktid võivad olla erineva temperatuuritundlikkusega. Näiteks mutatsiooni shibire kandvad äädikakärbsed on elujõulised ja sigimisvõimelised 25°C juures, kuid paralüseeruvad ootamatu shoki, näiteks raputamise tagajärjel (shibire tuleneb jaapanikeelsest sõnast tähendusega “paralüseeruma”). Kui mutantsete kärbeste kultuur viia aga 29°C juurde, paralüseeruvad nad ka ilma raputamata.
 
Keskkonna mõju inimese geenidele
 
Fenüülketonuuria (PKO) on retsessiivne haigus, kus on häiritud aminohapete metabolism. Sellise kahjustusega homosügootsetel lastel puudub fenüülalaniini hüdroksülaas, mis muudab fenüülalaniini türosiiniks. PKO haigetel kogunevad fenüülalaniin ja selle derivaadid organismi ning häirivad närvirakkude arengut, mistõttu sellised lapsed on vaimsete puuetega. Kuna PKO patsientidel on türosiini tase organismis normaalsest madalam, on neil melaniini sünteesitase madalam ning seetõttu ka nõrgem pigmentatsioon. Euroopa rahvastel on keskmiselt üks haigusjuht 10000 sünni kohta. PKO-d saab ravida dieediga , kus fenüülalaniini kogus on võrreldes tavalise toiduga tunduvalt madalam. Kui imikul on tuvastatud PKO ja tema toitmisel peetakse kinni dieedist, kasvab vaimselt normaalne laps.
 
Ka bioloogiline keskkond, näiteks indiviidi sugu, võib mõjutada geenide avaldumistaset. Näiteks kiilaspäisus areneb nii heterosügootsetel kui ka homosügootsetel meestel, homosügootsetel naistel on see tavaliselt seotud aga üksnes juuste hõrenemisega. Vastava alleeli avaldumise käivitab testosteroon , mille kogus mehe organismis on märksa kõrgem.
 
Penetrantsus ja ekspressiivsus
 
Penetrantsus on sagedus protsentides, millega mingi konkreetne genotüüp avaldub selle kandjate fenotüübis. Mittetäieliku penetrantsuse näiteks võib tuua polüdaktüülia, defekti, mille tagajärjel arenevad indiviidil lisasõrmed ja varbad . Kuigi mutatsioon on dominantne, ei avaldu defekt kõigil heterosügootidel. Mittetäielik penetrantsus takistab sugupuude analüüsi. Tavaliselt kasutatakse penetrantsuse mõistet mingi dominantse mutantse alleeli avaldumissageduse hinnanguna heterosügootide hulgas. Penetrantsus sõltub nii indiviidi geneetilisest taustast kui ka elukeskkonnast.
 
Ekspressiivsuse kaudu kirjeldatakse geeni fenotüübilise avaldumise taset. Konkreetne geen võib erinevates indiviidides avalduda erineval tasemel. Enamasti jälgitakse mutantse alleeli avaldumist. Näiteks dominantset lobe mutatsiooni kandvatel äädikakärbestel on silmakuju sagaraline, kuid erinevatel isenditel on sagaralisuse aste erinev. Nii mittetäieliku penetrantsuse kui ka erineva ekspressiivsuse põhjusteks erinevates indiviidides on tunnuste komplekssus, konkreetne fenotüüp on seotud kahe või enama geeni avaldumisega. Ka Hapsburgidele iseloomulik etteulatuv alalõug, mis oli levinud Euroopa kuningakodades, on tunnus, mis avaldub erinevatel indiviididel erineval määral.
 
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.
 
Epistaas
 
Epistaas (tuleneb kreekakeelsest sõnast tähendusega “seisab kõrgemal”) on ühe geeni tõkestav, pärssiv või varjutav toime teise geeni avaldumisele. Need geenid, mida allutatakse, on hüpostaatilised. Näiteks mutatsioon white on epistaatiline mutatsiooni cinnabar suhtes. Kui äädikakärbsed kannavad mõlemat retsessiivset mutatsiooni homosügootses olekus, on nende silmavärvus ikkagi valge. Selgus, et geen white kodeerib polüpeptiidi, mis transpordib pigmendi kärbse silmarakkudesse. Punast pigmenti sünteesitakse teistes kudedes. Kui vastavat transportvalku ei sünteesita, jäävad kärbeste silmad valgeks.
 
Valgete (CC pp) ja (cc PP) õitega suhkruherneste ristamisel saadi F1 põlvkonnas purpursete õitega (Cc Pp) järglased, kuid F2 põlvkonnas toimus lahknemine suhtega 9/16 purpursed ning 7/16 valged. Valged olid kõik need, kus vähemalt üks retsessiivsetest alleelidest oli homosügootses olekus. Selgus, et dominantsed alleelid C ja P kodeerivad erinevaid etappe antotsüaani sünteesiks:
 
Geen C P
Eellane ® Vaheühend ® Antotsüaan
 
Kui ühte ensüümidest ei produtseerita, on antotsüaani süntees blokeeritud.
 
Kui epistaatilise geeni ainsaks avaldumisviisiks on teise geeni pärssimine, nimetatakse teda inhibiitor- või supressorgeeniks.
 
 
Pleiotroopsus
 
Pleiotroopne geen mõjutab samaaegselt erinevaid tunnuseid. Ka eelpoolkirjeldatud fenüülketonuuria on pleiotroopsuse näide. Mitme tunnuse üheaegne patogeenne muutus on sündroom. Enamasti on pleiotroopsus tingitud ühe geeniprodukti osalemisest erinevates ainevahetusreaktsioonides või erinevate rakutüüpide vahelises kommunikeerumises ja arenguprotsessides.
 
Pideva fenotüübilise varieeruvuse geneetiline baas
 
Sama liigi piires varieeruvad ulatuslikult sellised tunnused nagu organismide kasv, kaal, mille väärtus on määratud paljude geenide ja keskkonna kombineeritud koostoimega.
Kromosoomid kui pärilikkuse kandjad
 
 
Kromosoomid avastati 19. sajandi teisel poolel saksa tsütoloogi W. Waldeyeri poolt. Kasutades erinevaid värvimistehnoloogiaid on nad kõige paremini jälgitavad jagunevates rakkudes. Interfaasis ei ole individuaalsed kromosoomid eristatavad, difuusset materjali, mis värvub, nimetatakse kromatiiniks. Kromatiini erinevad regioonid värvuvad erinevalt – nõrgemini eukromatiin ning tugevamini heterokromatiin, kus DNA kondensatsiooniaste on suurem.
 
Kromosoomide arv
 
Liigisiseselt on kõigil isenditel kromosoome kindel põhiarv n korduses. Tavaliselt on kordsusaste 2. Inimese kromosoomide põhiarv on 23: sugurakkudes on 23 kromosoomi (22 autosoomi + X või Y kromosoom) - haploidse genoom (n) ning somaatilistes rakkudes 46 kromosoomi – diploidne genoom (2n). Mõnedes maksarakkudes on kordsusaste 4 – sel juhul on tegemist tetraploidse genoomiga (4n) ning sel juhul on rakus 92 kromosoomi. Kromosoomide põhiarv erineb liigiti, kuid ei sõltu organismi keerukusastmest. Näiteks muntjakil (Aasias elutsev hirv ) on 3 kromosoomi, aga osadel sõnajalgadel on neid mitusada. Enamikel juhtudel jääb see arv 10 ja 40 vahele.
 
Sugukromosoomid
 
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 XO (O 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.
 
Paljudel teistel loomadel ning ka inimesel on mõlemal sugupoolel võrdne arv sugukromosoome. Isaste (XY) sugukromosoomid lahknevad meioosi käigus, produtseerides võrdsel arvul X ja Y kromosoomi sisaldavaid gameete. Inimese puhul peaks viljastumise tulemusena tekkima teoreetiliselt XY ja XX sügoote. Tegelikult on Y kromosoomi sisaldavatel seemnerakkudel võrreldes teistega viljastamisel väike eelis – nii on XY:XX suhe 1,3:1. Kuna XY embrüod on võrreldes XX embrüotega vähem eluvõimelised, on sünnimomendiks see suhe juba 1,07:1 ning paljunemisikka jõudmisel on meeste ja naiste suhe 1:1.
 
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.
 
 
Pärilikkuse kromosoomiteooria
 
Eksperimentaalsed tõendid selle kohta, et geenide päritavus on seotud kromosoomidega
 
Selle sajandi algul näitas Thomas Morgan , et teatav äädikakärbse Drosophila melanogaster silmavärvust mõjutav geen paikneb X kromosoomis. Tegemist oli silmade valget värvust põhjustava retsessiivse mutatsiooniga, mis avaldus ainult isastel kärbestel. Valgesilmsete mutantsete (w) isaste ristamisel homosügootsete (w+) emastega olid mõlemast soost järglased punaste silmadega , kuid hübriidide järgmises põlvkonnas olid kõik emased endiselt punaste silmadega, isastest aga ainult pooled. Morgan järeldas, et punast silmavärvust andev geen paikneb X kromosoomis. Kui on tegemist X kromosoomis paikneva geeniga ning isased on saanud mutantne alleeliga X kromosoomi, on kõik sellised isased valgete silmadega. Kuna tegemist on aga retsessiivse mutatsiooniga, siis on heterosügootsed emased punasesilmsed, sest kannavad lisaks mutantsele ka metsiktüüpi alleeli. Organismi, mis sisaldab ainult ühte geenikoopiat, nimetatakse hemisügootseks. Heterosügootsete emaste ristamisel valgesilmsete isastega saadi ka valgesilmseid homosügootseid emaseid, kes sisaldasid mõlemas X kromosoomis mutantset alleeli.
 
Geenid paiknevad kromosoomides lineaarselt
 
Morgani grupp uuris geenide paiknemist äädikakärbse kromosoomides. Olles lokaliseerinud hulgaliselt erinevaid mutatsioone, leiti, et erinevad geenid asetsevad kromosoomis teatavates kohtades – lookustes. Edasi oli võimalik juba koostada geneetilisi kaarte ning arvutada geenidevahelisi suhtelisi kaugusi. Nii tuldi välja pärilikkuse kromosoomiteooriaga, mille kohaselt kõik geenid paiknevad kromosoomides ning Mendeli seadused tulenevad sellest, milliste seaduspärasuste alusel toimub kromosoomide lahknemine sugurakkudes ning sattumine järglaskonda.
 
Kromosoomide mitteeraldumine raku jagunemisel
 
Morgani tudeng Bridges näitas, et ebanormaalne arv sugukromosoome XXX, XXY, XO või YO põhjustab äädikakärbsel muutusi fenotüübis. Ta ristas mutantseid homosügootseid valgesilmseid emaseid (ww) punasesilmsete isastega (w+) ning leidis, et ebaootuspäraselt oli järglaskonnas ka üksikuid valgesilmseid emaseid ning punasesilmseid isaseid . Teoreetiliselt oleksid pidanud kõik emased järglaskonnas olema punasesilmsed ning isased valgesilmsed. Neil vähestel eranditel oli kahe sugukromosoomi asemel kas kolm või üks. Sugukromosoomide ebanormaalset arvu järglaskonnas põhjustas X kromosoomide mittelahknemine meioosiprotsessis. Selle tagajärje tekkisid kahte X kromosoomi sisaldavad ja X kromosoomita munarakud. Selliste munarakkude viljastamisel moodustusidki XXY sügoodid, millest arenesid valgesilmsed emased ning XO sügoodid, millest arenesid punasesilmsed isased, kes olid sigimisvõimetud. Viljastamisel tekkis ka XXX ja YO sügoote, millest ei tulnud eluvõimelist järglaskonda. Seega olid ka Bridges’e katsetulemused heaks tõendusmaterjaliks pärilikkuse kromosoomiteooriale. Lisaks näitasid Bridges’e katsed X kromosoomi tähtsust Drosophila soo määramisel (XXY järglased on emased!). Selleks, et organism oleks vitaalne, on vajalik vähemalt ühe X kromosoomi olemasolu, sest YO sügootidest ei arenenud eluvõimelisi järglasi.
 
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
Ka see seadus baseerub anafaasis toimuval lahknemisel. Kui AA BB emaseid ristata näiteks aa bb isastega, on järglased Aa Bb. Esimese meioosi profaasis paarduvad kromosoomid alleelidega A ja a ning B ja b. Metafaasis reastuvad nad homoloogiliste paaridena kahel võimalikul viisil, kas A/a B/b või A/a b/B. Sõltuvalt sellele, kuidas on toimunud reastumine , liiguvad anafaasis erinevatele poolustele koos A ja B alleeliga ning a ja b alleeliga kromosoomid või hoopis alleele A ja b ning a ja B kandvad kromosoomid. Mõlemad võimalused realiseeruvad võrdse tõenäosusega. Pärast meiootilisi jagunemisi sisaldavad pooled gameetidest vanematega identset alleelikombinatsiooni, pooled aga uut (A b või a B). Nii moodustubki heterosügootsetel järglastel (F1 põlvkond) neli tüüpi gameete. Seega tagab kromosoomide lahknemine meioosis geenide sõltumatu lahknemise.
 
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 vastava alleeli saanud 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.
 
Soo määramine sugukromosoomide poolt
 
Soo määramine inimesel
 Erinevalt äädikakärbsest määrab inimesel ja teistel imetajatel soo Y kromosoomi olemasolu. XO 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.
 
Soo määramine äädikakärbsel
 Normaalsel diploidsel kärbsel on 2 sugukromosoomi (XX või XY) ning 3 paari erinevaid autosoome (AA – A näitab ühte haploidset autosoomide kogumit, 2A diploidset). Soo määrab X kromosoomide suhe autosoomide kordsusesse: normaalsetel isastel on see suhe 0,5 (1X:2A) ning normaalsetel emastel 1,0 (2X:2A). 2X:3A ning 3X:4A puhul jääb suhe 0,5 ja 1,0 vahele ning arenevad mõlemad sootunnused (intersex), 2X:4A puhul on suhe 0,5 ning kärbsed isased. Põhiline geen, mille avaldumine mõjutab sugu, on X-liiteline geen Sxl. Kui X:A suhe on suurem või võrdne ühega, on Sxl geen aktiivne ja sügoodist areneb emane kärbes; kui see suhe on väiksem või võrdne 0,5-ga, on geeni avaldumine alla surutud ja järglased tulevad isased.
 
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.
 
X-liiteliste geenide doosi kompensatsioon
 Kui emastel indiviididel on kaks X kromosoomi ning isastel ainult üks, siis kuidas saavutatakse see, et X-liiteliste geenide avaldumise tase on mõlemal juhul võrdne?
 
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 – seega on osadel juhtudel 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.
Erinevused kromosoomide arvus ja struktuuris
 
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
 Enamus tsütoloogilisi uuringuid teostatakse mitoosi metafaasi kromosoomidega, sest siis on need kõige paremini jälgitavad. Näiteks eraldatakse inimese verest valged vererakud ning kasvatatakse neid kultuuris, lisades kemikaale, mis stimuleerivad rakkude jagunemist. Metafaasi jõudnud rakke töödeldakse kemikaaliga, mis kahjustab mitoosikäävi ning peatab mitoosiprotsessi. Seejärel töödeldakse rakke hüpotoonilise lahusega, mille tulemusena rakud imevad end vett täis. Rakud lõhkevad vees ning laialipaiskunud kromosoome uuritakse mikroskoobiga. Pikka aega arvati, et inimesel on 48, mitte aga 46 kromosoomi. Alles tänu selle meetodi kasutusele võtmisele suudeti inimesel määrata tegelik kromosoomide arv.
 
Kromosoomide nähtavale toomiseks kasutatakse erinevaid värve. Kuni 70-ndate aastate alguseni oli kasutusel Feulgen’i reagent , mis on purpurse värvusega ning reageerib DNA-s olevate suhkrujääkidega. Kuigi rutiinseks analüüsiks on see reagent veel praegugi kasutusel, kasutatakse detailsemateks uuringuteks DNA-ga interkaleeruvaid värve. Näiteks quinacrine’ga värvides tulevad kromosoomides esile vöödid. Kuna tegemist on fluorestseeruva värviga, vaadeldakse preparaate UV-kiirguses. Igale kromosoomile on iseloomulik kindel vöödilisuse muster. UV-kiirguses helendavaid vööte on hakatud nimetama Q-vöötideks. Kasutatakse ka mittefluorestseeruvaid värve, näiteks Giemsa värvi. Sel juhul ilmuvad sõltuvalt sellest, kuidas kromosoomipreparaati eelnevalt on töödeldud, kas G- või R-vöödid. R-vöötide puhul värvuvad alad, mis G-vöötide puhul olid heledad ja vastupidi.
 
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.
 
Meioosikromosoomide analüüs
 Võrreldes mitoosikromosoomidega on meioosikromosoome tunduvalt raskem tsütoloogiliselt analüüsida. Ja seda mitmel põhjusel. Esiteks, meiootiline jagunemine toimub ainult spetsiifilistes kudedes sugurakkude moodustumisel. Teiseks, meiootiliselt jagunevaid rakke on laboritingimustes raske kultiveerida. Klassikalised meioosikromosoomide uuringud on teostatud taimse materjaliga , mis pärineb maisilt või erinevatelt liilialistelt. Taime õitelt eraldatakse paljunemisorganid ja kraabitakse materjali sugurakke tootvast koest. Meioosikromosoome on uuritud ka kõrgematel loomadel, kaasa arvatud inimene, kuid sel juhul tuleb vajaliku materjali hankimiseks kasutada kirurgiat.
 
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.
 
 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
 Paljud polüploidsed liigid on steriilsed, kuna meioosi käigus lahknevad kromosoomid ebaregulaarselt, mille tulemusena moodustuvad aneuploidsed gameedid. Kui sellised gameedid ühinevad viljastumisel, ei arene sügootidest elujõulisi järglasi. Näiteks triploidse taime gameetide moodustumisel paarduvad meioosi alguses kaks homoloogilist kromosoomi, kolmas jääb aga üksinda. On ka võimalus, et kõik 3 homoloogi ühinevad. Homoloogiliste kromosoomide lahknemisel anafaasis on variante palju: mõned homoloogilistest kromosoomidest liiguvad kõik ühele poolusele, mõned kahekaupa, mõned üksikult. Kuna triploidsed taimed on steriilsed, paljundatakse neid vegetatiivselt ( banaanid , teatud õunapuu sordid, tulbid ). Polüploidsed taimed võivad looduslikult paljuneda apomiksise teel (näit. võilill). Sel juhul arenevad seemned modifitseeritud meioosi läbinud munarakkudest, kus kromosoomide arv ei ole vähenenud.
 
Viljakad polüploidid
 Enamis tetraploide on samuti steriilsed, kuid on ka erandeid. Täpsemad uuringud näitasid, et sellised tetraploidid sisaldasid kahte erinevat kromosoomikomplekti, mis pärinesid liigiliselt lähedastelt eellastelt. Hübriidis kromosoomid duplitseerusid, moodustades tetraploidi. Meioosis paardusid ühelt eellaselt pärinevad homoloogilised kromosoomid omavahel ning teiselt eellaselt pärinevad jällegi omavahel ning jaotusid seejärel regulaarselt. Nii sattus kõigisse sugurakkudesse võrdne arv kromosoome. Sel viisil paljuneb näiteks ka laialdaselt kasutusel olev teravili nisu, mis on heksaploidne (sisaldab kolme erinevat kromosoomikomplekti 7-st kromosoomist, mis duplitseerusid, nii et somaatilistes rakkudes on 42 ja sugurakkudes 21 kromosoomi). Lähis-Idast on praegugi veel leitud 7 kromosoomiga nisu metsikuid eellasi. Seega on polüploidid, mis saadakse erinevate liikide hübridiseerimisel (allopolüploidid), märksa suurema tõenäosusega viljakad kui need, mida saadakse sama liigi siseselt (autopolüploidid), sest esimesel juhul tekib kromosoomide lahknemisel vähem kõrvalekaldeid.
 
Polüploidsuse teke
 Lisaks kromosoomide duplitseerumisele liikidevahelistes hübriidides võivad polüploidsed taimed areneda ka meristeemirakkude mitoosihäirete tagajärjel. Näiteks ei lahkne tütarkromatiidid mitoosi käigus ning selle tulemusena moodustuvad tetraploidsed rakud. Kui selliseid rakke sisaldavast koest kasvatada uus taim, ongi see tetraploidne . Kromosoomide kahekordistumine võib aset leida ka meioosis, kui ükskõik kummas meiootilises jagunemises kromosoomid ei lahkne ning moodustuvad diploidsed gameedid.
 
Katsed luua uusi polüploide laboritingimustes
 1920-ndatel aastatel üritas vene teadlane Karpechenko luua redise ja kapsa hübriidi. Tal õnnestuski saada viljakad hübriidid, kuid kahjuks realiseerus erinevalt oodatule (taimedel on redise juur ja kapsa lehed) hoopis vastupidine variant, mis oli täiesti söödamatu.
 Katseliselt indutseeritakse polüploidide teket sageli mitoosikäävi mürkidega, näiteks kolhitsiiniga.
 
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 mitte 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.
 
Polüteenkromosoomid on jälgitavad interfaasi rakkudes. Just see teebki nad oluliseks, sest muidu on kromosoomide ehitust võimalik uurida üksnes jagunevates rakkudes. Polüteenkromosoome on leitud ka paljudel teistel kärbestel ning moskiitodel.
 
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.
 
Trisoomia inimesel
 Enamtuntud 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 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, kuid seni pole veel suudetud näidata otsest seost kriminogeensusega.
 
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.
 
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.
 
Kromosoomi segmendi 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.
 
Ümberkorraldused kromosoomide struktuuris
 Ümberkorraldused kromosoomides võivad muuta segmendi positsiooni kromosoomis või viia ta teise kromosoomi.
 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.
 Juhul, kui üks homoloogilistest kromosoomidest sisaldab inversiooni, teine aga mitte, toimub nende paardumine sel viisil, et inversiooni sisaldav regioon on teisel kromosoomil sama orientatsiooni saavutamiseks linguna ümber pööratud. Inversiooni sisaldava ala otstes on kromatiidid pinge all ja see võib viia neis kohtades sünapsi katkestamisele. Enamasti on meioosi käigus inversioonidest põhjustatud linge tsütoloogiliselt praktiliselt võimatu jälgida. Siin tulevad jällegi appi polüteenkromosoomid, mis paarduvad ka somaatilistes rakkudes. Tänu spetsiifilisele vöödilisuse mustrile on linguna paiknevaid inverteerunud alasid kerge identifitseerida.
 
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.
 
Liitkromosoomid. Robertsoni translokatsioonid
 Mõnikord ühineb kromosoom oma homoloogiga või liituvad tütarkromatiidid, moodustades ühe geneetilise üksuse. Liitkromosoomid püsivad stabiilselt seni, kuni neil on üks tsentromeer. Liitkromosoomid võivad moodustuda ka homoloogiliste kromosoomide segmentide ühinemisel. Näiteks äädikakärbsel on kirjeldatud liitkromosoomi, mis moodustus kromosoomi number 2 homoloogide paremate õlgade liitumise tulemusena. Sellist kromosoomi nimetatakse isokromosoomiks, kuna tema mõlemad õlad on samad. Liitkromosoomide moodustumine erineb translokatsioonidest selle poolest, et liitkromosoomid moodustuvad üksnes homoloogiliste kromosoomide baasil, translokatsioonide puhul liitub aga geneetiline materjal, mis pärineb mittehomoloogilistelt kromosoomidelt.
 Mittehomoloogiliste kromosoomide puhul võib kromosoomiosade liitumine toimuda ka tsentromeeride vahendusel, nii et moodustub struktuur, mida nimetatakse Robertsoni translokatsiooniks. Sel juhul moodustuvad pikkade õlgadega metatsentriline kromosoom ning väike lühikeste õlgadega, mis läheb kergesti kaotsi. Evolutsiooni käigus on selliseid kromosoomide liitumisi toimunud üsna sageli.
 Kromosoomid võivad liituda ka otste vahendusel, mille tulemusena moodustub kahe tsentromeeriga struktuur. Juhul, kui üks tsentromeeridest inaktiveerub, jääb liitunud kromosoom stabiilseks. Selline liitumine on ilmselt toimunud ka meie endi liigi evolutsiooni käigus. Inimese 2. kromosoom on metatsentriline, tema õlad vastavad kahele erinevale akrotsentrilisele kromosoomile ahvidel. Teatavasti on inimesel 46 kromosoomi, shimpansil aga 48.
 Kromosoomides toimunud geneetilise materjali ümberkorraldustest tulenevad fenotüübilised muutused
 Homosügootses olekus on mitmeid geene haaravad deletsioonid peaaegu et alati letaalsed, sest ei toodeta mõnda organismi ellujäämiseks vajalikku geeniprodukti. 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.
 Ka inversioonid ja translokatsioonid mõjutavad fenotüüpi. Kromosoomid võivad katkeda keset geene, inaktiveerides need. Isegi siis, kui terve geen satub uude konteksti, võib tema avaldumistase muutuda ja mõjutada selle läbi organismi fenotüüpi. Näiteks äädikakärbse silmavärvust kontrolliv geen white satub X kromosoomis toimunud inversiooni tagajärjel heterokromatiini sisaldava tsentromeeri lähedale, mistõttu selle geeni avaldumine on häiritud. Selle tulemusena on kärbse silma pigment ebaühtlaselt jaotunud. Põhjus on selles, et heterokromatiini sisaldavad alad jäävad tugevalt kondenseerunud olekusse kogu rakutsükli vältel.
Aheldumine, ristsiire ( crossing over) ja eukarüootsete kromosoomide kaardistamine
 
Aheldumine, rekombinatsioon ja ristsiire
  Alfred Sturtevant, kes oli samuti Thomas Morgani õpilane, tegeles Drosophila kromosoomide kaardistamisega ning oli üldse esimene, kes tuli välja kromosoomikaardiga. Kaartide koostamise aluseks olid mutantide ristamistulemused. Sturtevant lähtus kaardistamisel sellest, et samas kromosoomis paiknevad geenid peaksid päranduma koos. Kuna nad kuuluvad füüsiliselt samasse üksusesse, jäävad nad kokku ka pärast meioosi. Sellist nähtust nimetatakse geenide aheldumiseks.
 Teatud juhtudel ei jää geenid aheldatuiks. Meioosiprotsessi käigus võivad geenid rekombineeruda. Meioosi algfaasis on homoloogiliste kromosoomide paardumisel e. konjugeerumisel jälgitavad nendevahelised ühendused – kiasmid. Neist kohtadest toimub homoloogiliste kromosoomide kromatiidiosade vahetus e. ristsiire (ingl. k. crossing over).
 
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.
 
Rekombinatsiooni sagedus võimaldab 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. Rekombinatsiooni sagedus kahe geeni vahel ei ületa kunagi 50%. Kui arvutused seda näitavad, pole geenid aheldunud, vaid paiknevad erinevates kromosoomides.
 
Selleks, et eristada heterosügoote erinevate alleelide omavahelise aheldatuse suhtes, on võetud kasutusele kindel kirjutamisviis. Oletame, et heterosügootsel taimel on kaks dominantset alleeli R ja L ning kaks heterosügootset alleeli r ja l. Kui me kirjutame nende taimede genotüübi R L / r l, tähendab see seda, et ühelt vanemalt pärandusid omavahel aheldunud on alleelid R L ning teiselt vanemalt alleelid r l. Kui taimede genotüüp on kirjutatud R l / r L, on omavahel aheldunud dominantsed ja retsessiivsed alleelid.
 
Rekombinatsioon toimub ristsiirde tulemusena
 Rekombinantsed gameedid moodustuvad homoloogiliste kromosoomide ristsiirde tagajärjel. Ristsiire toimub esimese meiootilise jagunemise profaasi staadiumis, kui homoloogilised kromosoomid omavahel paarduvad. Kuna selleks ajaks on geneetiline materjal kahekordistunud, osalevad protsessis neli homoloogilist kromatiidi, moodustades tetraadi. Samas toimub konkreetne ristsiire kahe homoloogilise kromatiidi vahel. Sellest kohast ülejäänud kaks kromatiidi ei rekombineeru. Seega on iga ristsiirde toimumise tagajärjel neljast kromatiidist rekombinantsed kaks. Tõendusmaterjal sellele pärineb katsetest pagaripärmiga Saccharomysec cerevisiae. See üherakuline haploidne organism paljuneb tavaliselt mitteseksuaalsel teel, pungumisega. Sugulisel paljunemisel liituvad kaks haploidset erineva ristumistüübiga rakku a ja a, mille tulemusena moodustunud diploidne rakk läbib meioosi. Meioosi tulemusena tekib 4 haploidset rakku, askospoori, mis jäävad kokku kotikesse, mida nimetatakse askuseks. Seega sisaldab iga askus ühe konkreetse meioosi produkte. Askospooridest arenevad jälle haploidsed pärmirakud. Pärmirakke saab laboritingimustes kultiveerida tardsöötmetel, mis on valatud Petri tassidele. Iga rakk paljuneb söötmel, moodustades rakkude koloonia. Pagaripärmil on kirjeldatud palju erinevaid mutante, mida iseloomustavad kindel koloonia kuju ja võime/võimetus kasvada erinevatel söötmetel. Mikroskoobi all on võimalik meioosiprotsessi käigus moodustunud askused üksteisest eraldada, isoleerida üksikud askospoorid, viia need sobivale söötmele Petri tassil ning kirjeldada söötmel moodustunud kolooniate kuju ja kasvuomaduste põhjal mutantsete geenide vahel meioosi käigus toimunud rekombinatsioone.
 Just katsetest pagaripärmiga ilmnes, et ristsiire toimub pärast seda, kui homoloogilised kromosoomid on duplitseerunud. Juhul, kui on aset leidnud üks rekombinatsioonisündmus, sisaldub askuses kaks rekombinantset (A b ja a B) ning kaks mitterekombinantset askospoori (A B ja a b), millel kõigil on erinevad fenotüübid. Kui rekombinatsioon oleks toimunud enne kromosoomide duplitseerumist, oleks askuses ainult kahetüübilisi askospoore ning kõik need oleksid rekombinantsed.  
Nagu juba eelpool mainitud, ilmnes katsetest pagaripärmiga S. cerevisiae ka see, et igas kindlas ristsiirde kohas osalevad korraga kaks kromatiidi. Samas võivad ülejäänud kaks kromatiidi rekombineeruda mõnes teises kohas. Nii võib sõltumatult toimuda mitmeid erinevaid geneetilise informatsiooni vahetusi. Ristsiire toimub ka tütarkromatiidide vahel, kuid sel juhul me seda ei tuvasta, kuna tütarkromatiidid on geneetiliselt identsed.
 
Tõendid selle kohta, et ristsiire põhjustab geneetilise materjali rekombineerumist
 Curt Stern tegi katseid äädikakärbestega. Selleks, et jälgida visuaalselt, et geneetiline rekombinatsioon on seotud geneetilise materjali vahetusega kromosoomide vahel, uuris ta erineva pikkusega X kromosoomides asuvate mutantsete tunnuste pärandumist ning järglaste X kromosoomide kuju. Üks X kromosoomidest oli normaalsest pikem (Xl), sest tema lühikesse õlga oli translokeerunud tükike Y kromosoomist. Teine X kromosoom oli normaalsest lühem (Xs), sest ta oli kaotanud translokatsiooni tulemusena 4-nda väikese kromosoomi vahel osa oma pikast õlast. See kromosoom sisaldas kahte mutatsiooni – dominantset mutatsiooni Bar (muudab silmakuju pikaks ja kitsaks) ning retsessiivset mutatsiooni car (silmade roosa värvus). Pikk kromosoom sisaldas metsiktüüpi alleele. Stern ristas emaseid heterosügootsei kärbseid, kes kandsid pikka ja lühikest X kromosoomi, normaalsete isastega. Järglaste hulgas oli ka selliseid, kus kaks ebanormaalset X kromosoomi olid rekombineerunud. Rekombinatsiooni tulemusena oli üks kromosoomidest normaalse pikkusega (B+ car) ning teisel olid mõlemad õlad ebanormaalsed (B car+).
 
Ka katsed maisiga ( Barbara McClintock ning Harriet Creighton said samad tulemused sõltumatult) tõendasid, et rekombinatsioon on seotud homoloogilistes kromosoomides paikneva geneetilise materjali vahetusega.
 Homoloogiliste kromosoomide vahelised kiasmid ilmuvad nähtavale pärast ristsiirde toimumist
 
Kiasmid on selgelt näha meioosi profaasi lõpuosas. Sel hetkel on homoloogilised kromosoomid omavahel kontaktis ainult kiasmide ja tsentromeeri kaudu, mis võimaldab kiasme täpselt loendada. Kiasmide arv on proportsionaalne kromosoomide pikkusega. Ristsiire on toimunud enne, kui kiasmid nähtavale ilmuvad. Katseliselt on seda tõestatud sel viisil, et rakke on mõjutatud temperatuurishokiga (kuumashokk) profaasi erinevatel etappidel. Kui mõjutada rakke alles profaasi lõpus, kiasmide ilmumise ajal, on mõju rekombinatsioonisagedusele väike. Kromatiidide katkemise ja ühinemisega kaasneb ka limiteeritud DNA süntees. Seda DNA sünteesi on võimalik tuvastada profaasi esimeses osas, ammu enne seda, kui ilmuvad nähtavale kiasmid. Seega kujutavad kiasmid varem toimunud vahetuse jälgi, kromatiidid on nendest kohtadest üksteisesse takerdunud. Alles homoloogiliste kromosoomide jaotumisel raku ekvatoriaaltasapinnale nad vabanevad.
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. Seega kujutab kahe punkti vaheline kaugus kromosoomi geneetilisel kaardil nende punktide vahel toimuvate ristsiirete keskmist arvu.
 
Selleks, et seda definitsiooni lahti mõtestada, kujutame ette näiteks saja munaraku valmimist meioosis. Kõik need gameedid sisaldavad kromosoome, milles on toimunud kas null (15 gameeti), üks (60 gameeti), kaks (15 gameeti) või kolm ristsiiret (10 gameeti) punktide (geenide) A ja B vahel. Meid huvitab geneetiline distants nende punktide vahel. Selleks arvutame keskmise ristsiirete hulga kromosoomide kohta:
 0 x (15/100) + 1 x (60/100) + 2 x (15/100) + 3 x (10/100) = 1,2
 Kahe aheldunud geeni kaardistamine
 Metsiktüüpi emaseid äädikakärbseid ristati homosügootsete isastega, kes kandsid kahte autosoomset mutatsiooni – vestigal (vg), mis põhjustas tiibade rudimenteerumist ning black (b), mis põhjustas musta kehavärvust. Meid huvitab geenide vg ja b vaheline distants. F1 põlvkond oli fenotüübilt metsiktüüpi, pikkade tiibade ja halli kehaga , mis kinnitas, et metsiktüüpi alleelid olid dominantsed. F1 põlvkonna emaseid ristati uuesti musta kehaga ja rudimenteerunud tiibadega homosügootsete isastega. 1000-st analüüsitud F2 põlvkonna isendist sarnanesid 820 fenotüübilt vanematega ning 180 olid rekombinantsed (92 halli keha ja rudimenteerunud tiibadega ning 88 musta keha ja pikkade tiibadega). Seda, et geenid vestigal ja black olid aheldunud, tõendab see, et rekombinante oli tunduvalt vähem kui 50% kogu järglaskonnast. Selleks, et määrata nende geenide vahelist distantsi, peame me leidma keskmise ristsiirete arvu F1 põlvkonna emaste gameetides. Selleks arvutame F2 põlvkonna rekombinantide sageduse:
180 : 1000 = 0,18.
 
Iga rekombinantne järglane sai kromosoomi, kus oli toimunud üks ristsiire uuritavate geenide vahel. Seega oli keskmine ristsiirete arv:
Mitterekombinandid rekombinandid
(0) x 0,82 + (1) x 0,18 = 0,18.
Seega oli ristsiire uuritavate geenide suhtes toimunud keskmiselt 18-l meioosi läbinud kromosoomil 100-st (18%-l). Need geenid on geneetilisel kaardil teineteisest 18 ühiku – sentiMorgani (cM) kaugusel. 1 Morgan (M) = 100 cM.
Arvutades rekombinantide tekkesagedusi ning keskmist ristsiirete arvu uuritavate geenide suhtes on võimalik leida ka kolme ja enama geeni vahelist geneetilist distantsi ning koostada selle põhjal kaart.
Rekombinatsiooni sagedus ja distantsid geneetilisel kaardil
Eelpool kirjeldatud geneetiliste distantside meetod töötab hästi siis, kui geenid on suhteliselt lähestikku üksteisele. 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 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.
 
Kiasmide sagedus ja geneetiline distants
 Iga homoloogiliste kromosoomide vahel jälgitav kiasm meioosi profaasis peaks kajastama üht profaasi algusosastoimunud 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.
 
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.
 
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.
 
Rekombinatsiooni allasurumine inversioonide teel
Kui üks homoloogilistest kromosoomidest sisaldab inversiooni, on rekombineerumine häiritud. Kui siiski ümberkombineerumine inverteerunud osade vahel on toimunud, lähevad rekombinantsed kromatiidid kergemini kaotsi. Näiteks üks rekombinantidest sisaldab kahte tsentromeeri ja teisel tsentromeere pole. Sel juhul rebitakse meioosi anafaasis esimene neist puruks, kuna erinevad tsentromeerid tõmbavad teda erinevatele poolustele, teine ei liigu aga kuhugi . Isegi, kui rekombinantsetel kromosoomidel õnnestub püsima jääda, on nad aneuploidsed – mõned geenid neis on topelt, mõned puudu. Tavaliselt on see organismile letaalne.
 
Rekombinatsioonide supresseerimist inversioonide kaudu kasutavad geneetikud erinevate geenide alleelide koos hoidmiseks samas kromosoomis. Inversiooniga kromosoome on sageli kasutatud katsetes äädikakärbestega. Tavaliselt sisaldab inversiooniga kromosoom dominantset mutantset alleeli, et see kromosoom oleks jälgitav läbi erinevate ristamiskatsete. Selliseid markeeritud inversiooniga kromosoome nimetatakse paigalhoidjateks (ingl. keeles balancers).
 
Rekombinatsiooni geneetiline kontroll
 Rekombinatsiooniprotsessi erinevatel etappidel osalevad paljude erinevate geenide poolt kodeeritud valgud. Huvitaval kombel ei toimu geneetilist ümberkombineerumist ristsiirde teel isastel äädikakärbestel, mis muudab nad võrreldes teiste organismidega unikaalseks. Ka liigiti on rekombinatsioonisagedus erinev.
32