GENEETIKA ÜLDKURSUS

1. Sissejuhatus: klassikaline ja molekulaargeneetika, geneetika rakendus kaasajal

2. Reproduktsioon kui pärilikkuse alus

3. Mendelism: pärilikkuse üldprintsiibid

4. Mendelismi edasiarendus

5. Kromosoomid kui pärilikkuse kandjad

6. Erinevused kromosoomide arvus ja struktuuris

7. Aheldumine, ristsiire (crossing over) ja eukarüootsete kromosoomide kaardistamine

8. Aheldumise geneetiline analüüs, kasutades täiustatud meetodeid

9. Kromosoomide molekulaarne struktuur

10. Kromosoomide replikatsioon

11. Transkriptsioon ja RNA protsessing

12. Translatsioon ja geneetiline kood

13. Mutatsioonid, DNA reparatsioon ja rekombinatsioon

14. Geeni definitsioon

15. Viiruste geneetika

16. Bakterite geneetika

17. Transponeeruvad geneetilised elemendid

18. Mitokondrite ja kloroplastide geneetika

19. Molekulaargeneetika meetodid

20. Geenide ja geeniproduktide molekulaarne analüüs

21. Prokarüootsete geenide regulatsioon

22. Eukarüootsete geenide regulatsioon. Vähitekke geneetilised alused

23. Loomade arengu geneetiline kontroll

24. Selgroogsete immuunsüsteemi geneetiline kontroll

25. Komplekssete tunnuste päritavus

26. Käitumise geneetiline kontroll

27. Populatsioonigeneetika ja evolutsioon

28. Geneetika ja liikide tekkimine

GENEETIKA ÜLDKURSUS

1. Sissejuhatus: klassikaline ja molekulaargeneetika, geneetika rakendus kaasajal

Klassikalise 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.

Geneetika rakendus kaasajal

Geneetikaalased uuringud on väga suures ulatuses suunatud meditsiinile. Need uuringud on võimaldanud täpsemalt mõista päritavate haiguste biokeemilist olemust ning isoleerida geneetilisi haigusi põhjustavaid geene. Nii on näiteks isoleeritud mutantsed geenid, mis põhjustavad tsüstilist fibroosi, Dushenne’i lihasdüstroofiat, Huntingtoni tõbe, fragiilse X sündroomi, Alzheimeri tõbe, rinnavähki.

Ka meie käitumine ning isiksuse omadused on väga suures ulatuses geneetiliselt määratud. Väga palju on seda uuritud ühemunakaksikute puhul. Näiteks alkoholism, skisofreenia ning maniakaalne depressiivsus on geneetilise eelsoodumusega. See tähendab, et vastavaid mutantseid geene kandvatel isikutel on võrreldes teistega risk haigestuda suurem.

Molekulaargeneetika meetodeid on hakatud kasutama kohtumeditsiinis isikute tuvastamiseks. Piisab väikesest veretilgast või juuksekarvast, et sealt PCR meetodil amplifitseerida huvipakkuvaid DNA segmente edaspidiseks DNA järjestuse analüüsiks.

Elavat diskussiooni on tekitanud geneetiliselt manipuleeritud köögiviljade kasvatamine. Näiteks sel teel saadud tomatid sisaldavad geeni, mis võimaldab tomatil kauem säiluda. Osa inimesi, esskätt “roheliste” liikumises osalejad näevad geneetilises manipuleerimises ohtu ning püüavad seda igati takistada. Nende liikumine on suunatud ka katseloomade kaitsele, mis mõnikord võtab äärmusliku vormi. Näiteks on vabastatud ja linna lahti lastud laborites peetud rotte ja teisi katseloomi.

Geneetika ja meditsiin

Haiguste geneetilisele determineeritusele vihjas juba 20-nda sajandi algul Garrod, kes juhtis tähelepanu sellele, et alkaptonuuria on levinud perekonniti. Seda haigust põhjustab homogentisiinhappe akumuleerumine organismi. Akumuleerumise käigus oksüdeerub see ühend tumedaks produktiks ning koguneb silmadesse, nina piirkonda ja mujale kudedesse. Ka haigete uriin muutub õhu käes tumedaks. Garrod märkas, et see haigus pärandub Mendeli seaduspärasuste järgi.

Haigusi põhjustavate geenide isoleerimine on töömahukas protsess. Näiteks Huntingtoni tõbe (surmaga lõppev neuroloogiline haigus) põhjustav geen isoleeriti 1993-ndal aastal, kuid sellele eelnes 10-aastane intensiivne uurimisperiood. Nii fragiilset X (tugev vaimne alaareng) kui ka Huntingtoni tõbe põhjustavate mutatsioonide uurimisel selgus, et muutus seisneb kolmenukleotiidilise DNA järjestuse amplifikatsioonis, mis mõjutab geeni avaldumist. Geeniteraapia muutub võimalikuks alles siis, kui konkreetsed haigusttekitavad geenid on isoleeeritud ning osatakse defineerida nende geenide poolt kodeeritud valkude biokeemilisi funktsioone organismis. Tsüstilise fibroosi (soolade transport rakkudest sisse ja välja on häiritud, kopsud, pankreas ja maks eritavad lima, mis soodustab nende organite infektsiooni ning haiged surevad sageli näiteks kopsupõletikku) põhjustab mutatsioon transmembraanset valku CFTR kodeerivas geenis, mis moodustab epiteelkudede rakkudes ioonkanaleid. Tsüstilise fibroosi puhul on püütud rakendada ka geeniteraapiat, nakatades inimese hingamisteede epiteelrakke modifitseeritud adenoviirusega, mille genoomi on viidud normaalne CFTR geen. Sel viisil on mõnikord saavutatud osalist paranemist, kuid see metoodika ei võimalda töödelda kahjustatud piirkondi teistes organites.

Inimese geenide uurimiseks on käivitatud rahvusvaheline Inimese Genoomi Projekt HUGO (Human genome Project), mille eesmärgiks on kaardistada ja sekveneerida kõik inimese geenid ning kirjeldada nende funktsioonid. See ambitsioonikas projekt on praeguseks kestnud kümmekond aastat.

Molekulaarse diagnostika meetoditega on võimalik haigust tekitavaid mutantseid geene inimorganismist tuvastada. See aitab otsustada, millist ravi ja hooldust patsient vajab. Eriti oluline on sünnieelne diagnostika, mida rakendatakse eeskätt siis, kui vanemate suguvõsas on kirjeldatud geneetilisi haigusi. Väärarengute ning enamasti surmaga lõppevate haiguste puhul saavad siis vanemad otsustada, kas lasta sellisel lapsel sündida.

Ka vähk on sisuliselt geneetiline haigus. Rakkude jagunemist ja diferentseerimist kontrollivad paljud erinevad geenid. Kui mõni nendest geenidest on muteerunud või nende regulatsioon on muutunud, võivad rakud asuda kontrollimatult jagunema ning põhjustada kasvajate arengut. Neid raku jagunemist kontrollivaid geene võivad kahjustada mutatsioonid, mis akumuleeruvad somaatilistesse rakkudesse inimese eluajal ning selle tagajärjel muutuvad normaalsed rakud vähirakkudeks. Mõnede vähktõbede puhul on ka päritav eelsoodumus. Sel juhul päranduvad mutantsed geenid sugurakkude kaudu järglastele. Näiteks rinnavähi puhul on leitud kaks geeni, BRCA1 ja BRCA2, mis levivad perekonniti. Risk haigestuda on sel juhul 10 korda suurem.

Geneetika osa kaasaegses põllumajanduses

Kuigi aretustöö teadlik läbiviimine, toetudes geneetika põhitõdedele, algas 20-ndal sajandil, on aretustööga tegeldud juba läbi aegade. Esimesed nisusordid, mis erinesid looduslikest, on 7000 kuni 10000 aastat vanad. Sordiaretuse teel on saadud näiteks hübriidne mais, mille saagikus on võrreldes algsega tõusnud ligi 250%. Nisu puhul on aretatud stressikindlamaid sorte, mis on sobivad kasvatamiseks just paljudes kohtades arengumaades. Palju aretustööd on tehtud tomatitega, mille tulemusena varieeruvad viljad nii suuruselt, värvuselt kui ka kujult. Taimi on püütud muuta ka resistentsemaks kahjuritele. Bakteri Bacillus thuringiensis genoomis on geen, mis kodeerib putukatele toksilist valku. Vastav geen on viidud tomatitaimede genoomi ning selle avaldumist taimes on näidatud võrdluskatsetega, kus geneetiliselt muudetud taimed on võrreldes algsetega kahjurite suhtes vastupanuvõimelisemad. Geenitehnoloogiat on rakendatud ka maisi sordiaretuses.

Koduloomade tõuaretuse teel on püütud saada näiteks suurema piima- või lihatoodanguga loomi. Tänu kunstlikule seemendamisele saab ühe häid järglasi andva isase spermat koguda ja külmutada, et seda jätkuks tuhandeteks viljastamiseks.

Viimasel aastatel on asutud katsetama loomade kloonimisega, kus somaatilise raku geneetiline materjal asendatakse munarakus olevaga. Jagunema sunnitud munarakust arenevad isendid, kes on geneetiliselt identsed doonoriga. 1997-nda aastal tekitas palju sensatsiooni kloonitud lamba Dolly sündimine.

Geneetika valekasutused

Darwini loodusliku valiku ideed, mille alusel organismidele kahjulikud tunnused asendatakse evolutsiooni käigus kasulikemaga, leidsid edasiarendust Francis Galtoni poolt. Galton arvas, et ka inimese vaimsed ja füüsilised tunnused on päritavad ning neile rakendub valik. Et inimsugu parandada, soovitas Galton rakendada kunstlikku valikut. Ta võttis kasutusele mõiste eugeenika, mille mõte seisnes selle, et heade tunnustega vanematel tuleb soodustada järglaste saamist, kehvade tunnustega vanematel aga takistada. Eelistud tunnused olid näiteks kõrge intelligentsus, loomingulisus, tugev tervis, kõrvaldatavad aga madal intelligentsus, vaimsed haigused, kriminaalne käitumine ja alkoholism. Eugeenikat on 20-nda sajandi esimesel poolel rakendatud paljudes maades. USA-s steriliseeriti näiteks indiviidid, keda peeti idiootideks või kriminaalideks. Pooltes osariikides oli seadusega ette nähtud steriliseerida ka alkohoolikud, epileptikud ning väära seksuaalse orientatsiooniga indiviidid. Steriliseerimist rakendati suhteliselt kaua Põhjamaades.

Eugeenikat rakendati 20-nda sajandi esimesel poolel ka migratsioonipoliitikas. Näiteks USA-s eelistati 20-ndatel aastatel sisserändajaid Põhja-Euroopast, seati aga piiranguid neile, kes tulid Vahemere äärest, Hiinast ja Kesk-Euroopast.

Üks kõige julmemaid eugeenika rakendusi oli juutide, mustlaste ja teiste rahvaste massiline hävitamine natsistliku Saksamaa poolt.

Kartuses sattuda eugeenikutega ühe mütsi alla hoidusid paljud geneetikud inimese geneetikaga tegelemisest. Ajad on muutunud. Praeguses Lääne ühiskonnas kutsuks eugeenikaalaste ideede propageerimine esile tugeva vastureaktsiooni. Neis riikides on elukvaliteet oluliselt paranenud. Varem tegid juba raskemad elutingimused oma korrektiivi, viletsamad lihtsalt surid. Tänu meditsiini ja hoolekande süsteemide täiustamisele on ühiskonnal võimalik ka geneetiliste haigustega indiviide ülal pidada. Samas ongi juba märke sellest, et haigusi põhjustavate geenide osakaal inimpopulatsioonis tõuseb.

Geneetikaalaste põhitõdede eiramine muutus riiklikuks doktriiniks Nõukogude Liidus seoses lõssenkismi tekkega. Lõssenko tegeles taimede sordiaretusega ning tuli välja seisukohaga, mille järgi toimuvad soovitud muutused taimesortides keskkonnatingimuste toimel. Need ideed meeldisid väga Stalinile, kes leidis, et see mõttekäik sobib hästi kokku marksistliku ühiskonnateooriaga, mis väitis, et ühiskondlik kord mõjutab inimese omaduste arengut. Klassikaline geneetika kuulutati ebateaduseks ning Mendeli õpetuse pooldajad sattusid vanglasse, kus nad sageli ka surid. Kuigi Lõssenko tõed olid väärad ja neil ei olnud rakenduslikku väärtust, nõuti positiivseid tulemusi ja nii olid mõnedki sunnitud oma elu päästmise või karjääri nimel andmeid võltsima. Geneetika areng Nõukogude Liidus seiskus pikaks ajaks.

2. Reproduktsioon kui pärilikkuse alus

Rakk kui elusorganismi ehituskivi

Vastavalt rakutüübile jagunevad elusorganismid prokarüootideks ja eukarüootideks. Prokarüoodid e. eeltuumsed on üherakulised organismid (näiteks bakterid), kellel pole rakutuuma. Nende tsütoplasmat ümbritseb rakumembraan ning peptidoglükaanist koosnev rakukest. Puuduvad rakuorganellid. DNA on koondunud ühte regiooni, mida nimetatakse nukleoidiks. Bakteriraku paljunemistsükkel on väga lühike. Soodsas kasvukeskkonnas võib rakk jaguneda iga 20 minuti tagant. Seega võib ühe raku järglaskond 11 tunni jooksul kasvada 5 miljardini, võrdsustudes kogu meie planeeti asustavate inimeste rahvaarvuga. Bakterid on kõige iidsem eluvorm Maal ning nad on kohastunud eluks väga erinevates keskkonnatingimustes.

Eukarüootne rakk on võrreldes prokarüootse rakuga tunduvalt suurem ning komplekssem. Lisaks tuumale, kus paikneb DNA, sisaldab ta erinevaid membraanseid ja mittemembraanseid rakuorganelle. Rakku ümbritseb plasmamembraan. Taimerakul on ka rakukest, mis sisaldab tselluloosi. Membraanseoselised valgud on sageli glükoproteiinid, sest nad on seotud sahhariididega. Membraanseoselisi valke, mis interakteeruvad rakuväliste molekulidega ning annavad signaali edasi raku sisemusse, nimetatakse retseptoriteks. Mutatsioonid geenides, mis kodeerivad retseptoreid, võivad põhjustada näiteks haigestumist vähki.

Eukarüootsed organismid on enamasti multitsellulaarsed ning nende rakkude ehitus ja funktsioon on erinevates kudedes erinev. Raku üldstruktuur on kõigil juhtudel siiski sama. Membraaniga ümbritsetud tuumas paikneb raku DNA ning seal toimub ka RNA süntees. Valmissünteesitud RNA molekulid transporditakse tsütoplasmasse läbi tuumapooride. Tsütoplasma sisaldab torujaid membraane, mis moodustavad võrgustiku, mida nimetatakse endoplasmaatiliseks retiikulumiks (ER). Osa ER-st on karedapinnaline, kuna seal paiknevad ribosoomid ning seal toimub valgusüntees. Sünteesitud valgud transporditakse läbi ER membraani ning viiakse raku erinevatesse piirkondadesse, kus neid vajatakse. Ribosoomidest vaba ER-i nimetatakse siledaks ER-ks ning seal toimub näiteks teatavate hormoonide süntees. Golgi kompleksis, mis koosneb samuti membraansetest struktuuridest, säilitatakse ning sageli modifitseeritakse sünteesitud valke. Näiteks insuliin sünteesitakse esmalt proinsuliinina, mis seejärel Golgi kompleksis lõigatakse funktsionaalseks insuliiniks. Päritavad defektid Golgi kompleksis toimuva proinsuliini protsessingu suhtes põhjustavad vastava mutatsiooni kandjatel diabeeti. Golgi kompleksis toimub ka näiteks süsivesikute süntees.

Mõnikord liituvad Golgi kompleksi vesiikulid plasmamembraaniga ja väljutavad enda sisu rakku ümbritsevasse keskkonda. Seda protsessi nimetatakse eksotsütoosiks. Golgi kompleksist eralduvad vesiikulid, mida nimetatakse lüsosoomideks, moodustavad membraaniga ümbritsetud kotikesi, mis sisaldavad ensüüme, mis on võimelised lagundama kõikvõimalikke rakus leiduvaid molekule. Mutatsioonid geenides, mis kodeerivad lüsosoomides asuvaid ensüüme, võivad põhjustada erinevaid kaasasündinud haigusi. Näiteks Tay-Sachs tõve korral on defektne lüsosüümides paiknev ensüüm, mis vastutab gangliosiidi degradatsiooni eest. Seda lipiidset molekuli leidub hulgaliselt närvirakkude membraanis. Kui gangliosiidi degradatsioonirada on blokeeritud, koguneb vaheühend, mis on ajurakkudele toksiline ning hävitab aju funktsioonid. Haiged lapsed surevad väga varakult, tavaliselt enne kolmeaastaseks saamist. Lüsosoomidele funktsionaalselt sarnased on peroksisoomid. Peroksisoomid sisaldavad ensüüme, mis kasutavad orgaaniliste molekulide oksüdeerimiseks molekulaarset hapnikku. Osa neist ensüümidest toodavad keemiliste reaktsioonidega vesinikperoksiidi, mis on väga tugev oksüdeerija, teised jälle lagundavad seda.

Taimerakkudes paiknevad membraaniga ümbritsetud kotikesed, mida nimetatakse vakuoolideks. Nad võivad võtta enda alla kuni 90% kogu rakusisesest ruumalast. Vakuoolid võivad sisaldada erinevaid lahustunud sooli või sahhariide, toksilisi jääkprodukte ja pigmente, mis osalevad taime õite ja lehtede värvuse kujundamisel. Vakuoolid aitavad taimerakkudel tagada kõrget siserõhku.

Mitokondrid ja kloroplastid on arenenud prokarüootsetest rakkudest, mis on kunagi sattunud suurema raku sisse. Neil organellidel on oma geneetiline materjal, mis esineb DNA rõngasmolekulina nagu seda ka bakteritel. Paljud mitokondrite ja kloroplastide valgud on nende endi poolt kodeeritud. Mitokondrid on rakkude “jõujaamad”, sest neis toimub energia konverteerimine lipiididest ja süsivesikutest adenosiin trifosfaadiks ATP. Energeetiliselt aktiivsemates rakkudes on mitokondreid rohkem. Mitokondritel on kaks membraani. Sismisel membraanil asuvad ensüümid, mis on seotud energia konverteerimisega. Selleks, et suurendada sisemembraani pinda, on ta sisse sopistunud, moodustades harju e. kriste (cristae). Mutatsioonid mitokondrite geenides võivad põhjustada päritavaid haigusi nagu näiteks silmahaigus, mida tuntakse kui Leberi päritavat optilist neuropaatiat (LHON). Ka vananemist seostatakse mutatsioonidega mitokondriaalses DNA-s.

Kloroplaste leidub ainult taimerakkudes ning neis toimub fotosüntees. Ka kloroplastidel on topeltmembraan. Kloroplastide sisemuses paiknevad membraansed kettad, mida nimetatakse tülakoidideks. Tülakoidid paiknevad kloroplastide keskosas, mida nimetatakse stroomaks. Tülakoidides asub valgust sidiv pigment klorofüll.

Eukarüootsele rakule on iseloomulik ka tsütoskelett. See koosneb valgukiududest, mis annavad rakkudele kuju, võimaldavad neil liikuda ning osalevad rakusiseses organellide paigutuses. Põhiliselt esinevad nad mikrofilamentidena ja mikrotuubulitena. Defektid raku tsütoskeletis on jällegi seotud geneetiliste haigustega. Näiteks Duchenne’i lihaseline düstroofia on põhjustatud mutatsioonidest geenis, mis kodeerib raku tsütoskeletis osalevat valku düstrofiin.

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 (“gaps”), 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 (checking points). Sisenemine igasse järgmisesse faasi vajab kindlaid signaale. Neid signaale võtavad vastu valgud, mida nimetatakse tsükliinideks ning valgud, mis komplekseeruvad tsükliinidega – tsükliinidest sõltuvad kinaasid CDK (cyclin-dependent-kinases). 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 (reduction division). Selle jagunemise käigus homoloogilised kromosoomid paarduvad (konjugeeruvad) omavahel ning lahknevad seejärel juhuslikkuse alusel tütarrakkudese. Meioosi teisel jagunemisel (meioos II), mida nimetatakse ka võrdväärseks jagunemiseks (equational division) jaotuvad tütarrakkudesse tütarkromatiidid nii, nagu see toimub ka mitoosis. 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 (crossing over) 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 spermatozoidideks. Arenevad seemnerakud jäävad meioosi käigus üksteisega tsütoplasma sildade kaudu ühendatuks seni, kuni neist arenevad spermatozoidid. Spermatogeneesi käigus kaotavad rakud tsütoplasmat.

Munaraku viljastamisel seondub seemneraku pea munarakku ümbritseva kestaga, mida nimetatakse zona pellucida. See kest sisaldab erinevaid glükoproteiine, mis seonduvad seemnerakuga spetsiifiliselt, eristades sama liigi seemnerakke võõraste liikide seemnerakkudest. Kui seemnerakk on seondunud, vabanevad vesiikulitest ensüümid, mis aitavad tal munaraku kesta läbida ning soodustavad rakkude membraanide ühinemist. Kohe pärast membraanide ühinemist vabanevad munaraku membraani sisepinnal asunud kortikaalgraanulitest mitmesugused ensüümid ja muud molekulid, mis muudavad zona pellucida struktuuri, et takistada järgmiste seemnerakkude tungimist rakku.

Sugurakkude moodustumine taimedel

Erinevalt loomadest ei moodustu taimede puhul meioosi käigus kohe sugurakud vaid tekivad spoorid. Enne sugurakkudeks saamist jagunevad haploidsed spoorid korduvalt mitoosi teel, moodustades haploidsetest rakkudest koosnevaid gametofüüte (või tekivad gameete produtseerivad taimed). Haploidsete gameetide liitumisel tekivad diploidsed sügoodid, millest mitoosi teel jagunemise käigus moodustuvad sporofüüdid (või tekivad spoore produtseerivad taimed). Tsükkel kordub, spetsiaalsed rakud sporofüütides jagunevad meioosi teel ja moodustuvad haploidseid spoore. Seega esineb taimede elutsüklis nii haploidne kui ka diploidne faas. Sõltuvalt taime liigist on nende kestvus erinev - madalamate taimede puhul on domineerivaks haploidne faas.

3. 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.

Vt. Viikmaa leksikon!

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.

4. 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 L^M ja L^N. 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), c^h – himaalaja, c^ch – chinchilla ja c⁺ – metsiktüüp. Homosügootses olekus on igal alleelil kindel toime karva värvusele. Cc küülikud on üleni valge karvaga, c^hc^h küülikud on valged mustade kõrvade, käppade ja ninaotsaga, c^ch c^ch 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: I^A, I^B ja I⁰. I^A kodeerib A antigeeni, I^B kodeerib B antigeeni ja I⁰ alleel ei määra midagi. 6 võimalikule genotüübile vastavad 4 fenotüüpi: A veregrupile (I^AI^A või I^AI⁰), B veregrupile (I^BI^B või I^BI⁰), AB veregrupile (I^AI^B) ja 0 veregrupile (I⁰I⁰). Alleelid I^A ja I^B on kodominantsed, kuid I⁰ on mõlema suhtes retsessivne. Kuna kõik geeni I 3 erinevat alleeli esinevad arvetatava 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⁺ > c^ch > c^h > 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, c^chc heterosügoot hele chinchilla, c^chc^h alleelidega küülik hele chinchilla mustade kõrvade, käppade ja ninaga ning c^hc 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) Y^l 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 Y^lY^l 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.

5. Kromosoomid kui pärilikkuse kandjad

Kromosoomid

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.

6. 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 (Compound Chromosomes). 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.

7. 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 (X^l), sest tema lühikesse õlga oli translokeerunud tükike Y kromosoomist. Teine X kromosoom oli normaalsest lühem (X^s), 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 algusosas toimunud ristsiiret. Seega peaks kiasmide loendamine võimaldama meil samuti määrata keskmist ristsiirete arvu kromosoomi kohta. Liidame kiasmid kokku ja jagame uuritud rakkude arvuga. Kui näiteks 100 raku kohta loendati 215 kiasmi, siis keskmine kiasmide arv raku kohta on 2,15 ning kromatiidi kohta poole väiksem – 1,07. Sellest leiame, et kromosoomi pikkus on 107 cM, sest kiasmide arv kromatiidi kohta väljendab kromosoomi geneetilist pikkus. Võime arvutada ka geneetilise pikkuse ja keskmise kiasmidevahelise arvu suhte, see on:

107 cM : 2,15 kiasmi = 50. See tähendab, et geneetilise kaardi 50 cM-le vastab üks kiasm.

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.

8. Aheldumise geneetiline analüüs, kasutades täiustatud meetodeid

Aheldumise uurimine katseorganismides

Kõige intensiivsemalt on uuritud geenide aheldumist seentel (eriti pärmidel) ning äädikakärbsel.

Tetraadanalüüs seentel

Askomütseetidele, kuhu kuulub ka pagaripärm Saccharomyces cerevisiae, on iseloomulik, et meioosis moodustunud 4 askospoori jäävad kokku moodustisse, mida nimetatakse askuseks. Kuna need seened on suurema osa oma elutsüklist haploidsed, areneb igast askospoorist uus organism. See lihtsustab erinevate genotüüpidega askospooride fenotüübilist analüüsi.

Askospooride moodustumine pagaripärmil kajastab toimunud meioosiprotsessi. Meioosi lõpptulemusena tekib 4 askospoori, millest igaüks sisaldab ühte neljast meioosi algfaasis kõrvuti paiknenud tetraadi moodustanud kromatiidist. Tänu sellele saame me geenide aheldumist tetraadis uurida askospooride fenotüüpide kaudu.

Kui ristata kahte pärmi tüve, millest üks kannab mitteaheldunud mutantseid geene a ja b ning teine nende geenide metsiktüüpi alleele A ja B, siis moodustuvad kolme tüüpi askused. Üks põhitüüpidest sisaldab askospoore, millest kaks on iseloomulikud ühele (AB) ja kaks teisele vanemale (ab) – parental ditype askus. Teine põhitüüp sisaldab kahte tüüpi askospoore, mis on rekombinantsed (Ab) või (aB). Mõlemal juhul on üks alleel pärit ühelt vanemalt ning teine alleel teiselt vanemalt – nonparental ditype askus. Kuna erinevad kromosoomid lahknevad üksteisest sõltumatult, moodustub mõlemat tüüpi askuseid võrdselt. Vähesel hulgal moodustub ka kolmandat tüüpi askuseid, mis sisaldavad nelja erinevat tüüpi askospoori (Ab), (ab), (AB) ja (aB) – tetratüüpi askus. Sel juhul on ühe geeni kaks alleeli ristsiirde teel vahetanud oma asukoha.

Kui ristata kahte pärmi tüve, kus mutatsioonid paiknevad samas kromosoomis, siis ootame, et enamus askuseid sisaldavad askospoore, mis sarnanevad nende vanematele. Rekombinantsed spoorid tekivad ainult ristsiirde tagajärjel. Kui on toimunud üks ristsiire, moodustub tetratüüpi askus. Kui on toimunud kahekordne ristsiire, sõltub tulemus sellest, mitu kromatiidi selles osalesid – kui vahetus toimus kahe kromatiidi vahel, moodustub askus, kus spoorid sarnanevad vanematega (parental ditype), kui vahetus toimub kolme kromatiidi vahel, on tulemuseks tetratüüpi askus, kui aga vahetus toimub nelja kromatiidi vahel, on askuses kahte tüüpi rekombinante (nonparental ditype). Viimast tüüpi askuseid moodustub võrreldes teistega oluliselt vähem, mis kinnitab omakorda, et vaatlusalused geenid on aheldunud.

Pärast seda, kui me oleme määranud aheldumise, on võimalik arvutada geenidevaheline geneetiline distants. Teeme seda konkreetse näite alusel. Ristame kahte pärmitüve, millest üks on mutantne (py – vajab kasvuks püridoksiini; th – vajab kasvuks tiamiini) ning teine metsiktüüpi (PY TH). Diploidsed rakud jagunevad meioosi teel ning moodustuvad askused. 100 erineva askuse analüüsil selgus, et uuritavad geenid on aheldunud, sest võrreldes tetratüüpsete (kokku 44) ja vanemtüüpi ditüüpi askustega (52) oli mittevanemtüüpi (nonparental) ditüüpi askuseid oluliselt vähem (4). Selleks, et arvutada geenidevahelist distantsi, tuleb leida keskmine ristsiirete arv kromosoomi kohta.

Rekombinatsiooni sagedus = [(1/2) T + NPD]/ askuste arv,

kus T = tetratüüpi askuste arvuga ning NPD = mittevanemtüüpi ditüüpi askuste arvuga. T on korrutatud ½-ga sellepärast, et ainult pooled askospoorid tetratüüpi askustes on geneetiliselt rekombinantsed. Konkreetne rekombinatsiooni sagedus on seega:

[(1/2)(44) + 4]/100 = 0,26. Geneetiline distants on 0,26 Morganit = 26 cM. Kuna rekombinatsiooni sagedus ületas 25%, on tegelik distants pikem, arvestamata jäid mõned kahekordsed ristsiirded. Sellepärast eelistavad osa teadlasi kasutada valemit

Geneetiline distants = [(1/2) T + 3 NPD]/ askuste arv

Seda valemit kasutades leiame, et geneetiline distants geenide py ja th vahel on 34 cM.

Tetraadanalüüs seenega Neurospora crassa on veelgi informatiivsem, sest askospoorid askuses jäävad kindlasse ritta, kajastades olukorda, kuidas külgnesid meioosis üksteisega neli kromatiidi.

“Paigalhoidvate” kromosoomide (balancer chromosomes) kasutamine Drosophila geneetilises analüüsis

Uute mutatsioonide lokaliseerimiseks kromosoomis kasutatakse dominantse alleeliga markeeritud inversiooniga kromosoome, nn. paigalhoidvaid (balancer) kromosoome, mis takistavad nende kromosoomide rekombineerumist normaalsete (inversioonita) homoloogidega.

Analüüsime ristamise tulemusi, kus on kasutatud kahte paigalhoidvat kromosoomi – kromosoom number 2 on markeeritud dominantse mutatsiooniga Cy (krussis tiivad – ingl. k. curly wings) ning kolmas kromosoom on markeeritud mutatsiooniga Tb (jässakas keha – ingl. k. tubby body). Homoloogilised kromosoomid kannavad samuti dominantseid markereid – Pm (ploomivärvi silmad – ingl. k. plum eyes) teises kromosoomis ning Sb (tüükakujulised harjased – ingl. k. stubble bristles) kolmandas kromosoomis. Kõigil neljal markeril on ka retsessiivne letaalne efekt, mistõttu homosügoodid surevad. Tundmatu retsessiivse mutatsiooni suhtes homosügootseid emaseid ristatakse isastega, kes kannavad eelpoolkirjeldatud tasakaalustavaid kromosoome ja nende homolooge. Sõltuvalt sellest, millises kromosoomis uuritav mutatsioon paikneb, on järglaskond erinev. Kui mutatsioon on X-liiteline, on kõik isased järglased mutantsed, emased aga mitte. Tasakaalustavaid kromosoome poleks analüüsiks vaja olnudki. Juhul, kui mutatsioon paikneb ühes autosoomidest, ristatakse F₁ heterosügoote omavahel ja analüüsitakse siis tulemusi. Hindame erinevaid võimalusi:

1. Mutatsioon paikneb teises kromosoomis. Kuna teine paigalhoidev kromosoom sisaldas markerit cy, ei saa tekkida rekombinante, mis oleksid fenotüübilt mutantsed ja krussistiivalised, kuna retsessiivset mutantset alleeli sisaldav kromosoom ei saa inversiooni tõttu selle kromosoomiga rekombineeruda

2. Mutatsioon paikneb kolmandas kromosoomis. Kuna kolmas paigalhoidev kromosoom sisaldas markerit Tb, ei saa tekkida rekombinante, mis oleksid fenotüübilt mutantsed ja jässaka kehaga.

3. Mutatsioon paikneb neljandas kromosoomis. Mõned järglased on samaaegselt nii mutantsed, krussistiivalised kui ka kehalt jässakad.

Spetsiaalsed kaardistamise meetodid

Neurospora crassa reastatud tetraadide analüüs tsentromeeride kaardistamiseks

Neurospora crassa on haploidne seen, kes moodustab pikki rakkude filamente, mida nimetatakse mütseeliumiks. Seda seent teatakse ka leivahallitusena. Erinevatesse ristamistüüpi kuuluvad haploidsed rakud võivad ühineda ning diploidne rakk läbib meioosi. Iga askospoor saab ühe neljast kromatiidist. Erinevalt pärmist on Neurospora’l askospooride kott piklik ja väga kitsas, nii et spooride reastumine askuses kajastab seda, kuidas reastusid kromatiidis meioosis. Meioosi käigus rakud ei pooldu, tuumad jäävad kõrvuti ning pärast meioosi toimub veel üks mitootiline jagunemine, nii et iga haploidne tuum jaguneb veel omakorda. Lõpptulemuseks on kaheksa reas paiknevat tuuma, mis eraldatakse üksteisest rakuseintega, nii et moodustuvad askospoorid. Ettevaatliku manipuleerimise tulemusena on võimalik reas paiknevad spoorid ükshaaval askusest eraldada ja uurida nende fenotüüpi.

Oletame, et alleelid A ja a, mis paiknevad tsentromeeri lähedal, produtseerivad askospoorides erinevaid pigmente. Kui ristata A ja a alleelidega rakke, moodustuvad kaheksa spooriga askused. Alleelid võivad segregeeruda erinevalt ja seetõttu näeme kahetüübilisi askuseid.

Esimesel jagunemisel segregeerumise muster avaldub siis, kui neli esimest spoori askuses on alleeliga A ja ülejäänud neli alleeliga a. Alleelid A ja a lahknevad esimesel jagunemisel puhtalt – AA ühele poole ja aa teisele poole. Pärast teist jagunemist lahknevad kromatiidid eraldi tuumadesse järjekorras A, A, a, a ning seejärel poolduvad tuumad veel mitootiliselt.

Teisel jagunemise segregeerumise mustrit näeme siis, kui on toimunud ristsiire lookuse A ja tsentromeeri vahelt, ning A ja a satuvad teisel meiootilisel jagunemisel erinevatesse tuumadesse. Sel juhul on reas kahekaupa kõrvuti kord ühte, kord teist alleeli sisaldavad askused. Materjali ümberkombineerumine kahe kromatiidi vahel toimub esimesel meiootilisel jagunemisel, kumbagi tuuma satub üks algne ja üks rekombinantne kromatiid. Pärast teist jagunemist satuvad kõik kromatiidid erinevatesse tuumadesse järjekorras A, a, A, a.

Kuna ümberkombineerumine toimus geeni ja tsentromeeri vahelt, on võimalik arvutada geeni ja tsentromeeri vahelist geneetilist distantsi. Kuna ümberkombineerumine toimus ainult kahe kromatiidi baasil, korrutatakse teisel jagunemisel segregeerumise tüüpi askuste arv 0,5-ga ja jagatakse kogu analüüsitud askuste arvuga. Näiteks mutantse, kasvuks vitamiini tiamiin vajava mutandi (thi^-) ristamisel metsiktüüpi tüvega olid 132-st analüüsitud askusest 104 esimesel jagunemisel segregeerumise mustriga ning 28 teisel jagunemisel segregeerumise mustriga. Geeni thi geneetiline distants tsentromeerist on seega (1/2)(28/132) = 10,6 cM.

Drosophila deletsioonide ja duplikatsioonide tsütogeneetiline kaardistamine

Erinevalt rekombinantide analüüsil põhinevast geenide kaardistamisest on tsütogeneetilise kaardistamise puhul oluline, et uuritav fenotüübilist efekti omav retsessiivne mutatsioon oleks kombineeritud tsütoloogiliselt jälgitava deletsiooni või duplikatsiooniga. Äädikakärbse polüteenkromosoomide puhul on deletsioonid ja duplikatsioonid kergesti jälgitavad.

Näiteks mutatsioon white on X kromosoomi ühest otsast 1,5 cM kaugusel, kuid kumma otsa suhtes see distants on leitud ning kui kaugele jääb ta otsast füüsiliselt, seda aitab selgitada ainult tsütoloogiline analüüs. Ristamise teel püütakse saada heterosügootseid järglasi, mis kannaksid mutatsiooniga white X kromosoomi ning defineeritud kohast deletsiooniga X kromosoomi. Juhul, kui teises X kromosoomis olev deletsioon hõlmab white geeni sisaldavat piirkonda, on järglased valgete silmadega, kõigil teistel juhtudel aga punaste silmadega. Põhjus on selles, et kui deletsioon ja white geen asuvad samas kohas (lookuses), ei ole heterosügootides funktsionaalset metsiktüüpi alleeli ning pigmenti ei produtseerita. Vastava deletsiooni asukoht on jälgitav polüteenkromosoomil.

Ka duplikatsioone saab kasutada mutatsioonide kaardistamisel. Sel juhul jälgime duplikatsiooni, mis maskeerib retsesiivse mutatsiooni fenotüübi, s.t. ta peab sisaldama duplikatsioonis mutantse geeni metsiktüüpi alleeli.

Geenide aheldumise uurimine inimesel

Kuni lähiajani oli inimese geenide kaardistamine üsna komplitseeritud, kuna pole väimalik läbi viia kontrollristamisi. Samuti on analüüsitav järglaskond väga väike. Kõige vanem ja otsesem viis inimese geenide aheldumise analüüsiks on sugupuude analüüs.

Geenide aheldatuse tuvastamine sugupuude analüüsil

Kõige lihtsam on aheldatust jälgida X kromosoomi korral. Nii on leitud, et nii hemofiiliat kui ka värvipimedust (võimetus eristada punast ja rohelist värvi) põhjustav alleel on aheldunud X kromosoomi. Hemofiiliat võib põhjustada mutatsioon kahes lookuses. Hemofiilia B puhul puudub indiviididel koagulatsiooni faktor IX, hemofiilia A korral aga koagulatsiooni faktor VIII. Faktor VIII-t kodeeriv geen paikneb kromosoomi otsale lähemal, mõlemad geenid paiknevad kromosoomi pikas õlas.

Mõned sugupuud on võimaldanud jälgida ka autosoomsete mutatsioonide aheldatust. Näiteks võib tuua küünte-kederluu (nail-patella) sündroomi, mis on aheldunud ABO vererühma lookusega. Küünte-kederluu sündroom on harv autosoomne dominantne tunnus, mille puhul küüned ja põlved on vähe arenenud.

Somaatiliste rakkude geneetika – alternatiivne moodus geenide kaardistamisel

1. Rakkude hübridiseerimine. Meetod töötati välja 60-ndatel aastatel Barski ja Ephrussi poolt. Võimalik on liita somaatilisi rakke nii samast liigist kui ka erinevatest liikidest. Liitunud rakke nimetatakse hübriidideks. Meetod on rakendatav ka inimese geenide kaardistamisel. Tavaliselt hübridiseeritakse inimese rakkudega näriliste, näiteks hiirte rakke. Kokkusegatud rakkude liitumist stimuleeritakse kas inaktiveeritud Sendai viirusega või polüetüleenglükooliga. Esmalt liituvad rakumembraanid, seejärel tuumamembraanid. Kui hübriidne rakk jaguneb, lähevad inimese kromosoomid järk-järgult juhuslikkuse alusel kaotsi. Pärast mitmeid rakujagunemisi on hübriidses rakus alles veel ainult üks või väga vähesed inimese kromosoomid. Miks see nii toimub, on seni selgusetu.

Isegi, kui katsetingimused on ideaalsed, moodustub väga vähe hübriidseid rakke. Osa rakke ei liitu, palju on ka hiir - hiir ning inimene – inimene liitrakke. Selleks, et töötada edasi tõeliste hübriididega, kasutatakse rakkude kasvatamiseks selektiivset söödet – tavaliselt HAT söödet (hüpoksantiin-aminopteriin-tümidiin). Juhul, kui üks rakutüüpidest on defektne tümidiini kinaasi suhtes (TK^-) ja teine näiteks hüpoksantiini fosforibosüül transferaasi suhtes (HPRT^-), need rakud söötmel ei kasva. Kasvada saavad üksnes hübriidid. HAT söötmes olev aminopteriin blokeerib tavalise puriinide ja tümidülaadi sünteesiraja, mistõttu rakud saavad kasvada ainult siis, kui neis on funktsionaalsed TK ja HPRT alleelid ning söötmes tümidiin ja hüpoksantiin. Kui hübriidsed rakud on selekteeritud, isoleeritakse kloonid e. rakuliinid (tegemist on ühe raku järglaskonnaga). Iga rakuliini puhul jälgitakse, milliseid geeniprodukte sünteesitakse ning milliste geeniproduktide puudumine/olemasolu on seotud konkreetse inimese kromosoomi puudumise/olemasoluga. Üks hübriidne liin sisaldas ainult ühte inimese kromosoomi – 17-ndat kromosoomi ning oli sellegipoolest võimeline sünteesima tümidiini kinaasi. Seega paigutus TK geen 17-ndasse kromosoomi. Vastupidisel rakkude hübridiseerimisel (HPRT^- hiire rakud + TK^- inimese rakud) saadi HAT- söötmel kasvav hübriid, mis sisaldas inimese kromosoomidest ainult X kromosoomi. See näitas, et geen HPRT paikneb X kromosoomis.

Somaatiliste rakkude hübridiseerimist saab kasutada peaaegu kõigi inimese geenide kaardistamisel. Oluline on vaid see, et hübriidses rakus konkreetne geen avalduks ning et ta oleks eristatav hiire vastavast geeniproduktist. Näiteks UMP kinaasi geen lokaliseeriti esimesse kromosoomi. Inimese ja hiire UMP kinaase on võimalik eristada geelelektroforeesiga. Valkude aminohappelises järjestuses on mõned erinevused ja see kajastub nende ensüümide erinevas liikuvuses geelelektroforeesil. Kui analüüsiti erinevaid hübriidseid rakuliine, siis oli inimese UMP kinaas alati esindatud ainult nende hübriidide korral, mis sisaldasid esimest inimese kromosoomi.

Tänapäeval kasutatakse inimese geenide tuvastamiseks hübriidsetest rakkudest enamasti spetsiifilise DNA detekteerimise meetodeid (nukleiinhapete hübridisatsioon, PCR).

2. Geenide kaardistamine kasutades kromosomaalseid ümberkorraldusi. Hübriidsete rakkude analüüs võimaldab tuvastada, millises kromosoomis uuritav geen paikneb, kuid sel juhul jääb selgusetuks, millises kromosoomi piirkonnas. Seetõttu võetakse appi kombineeritud meetodid, kasutades geneetiliste ümberkorraldustega kromosoome, mis sisaldavad translokatsioone. Näiteks on toimunud translokatsioon X kromosoomi ja 14-nda kromosoomi vahel – enamus X kromosoomi pikast õlast on translokeerunud 14-nda kromosoomi otsa ning väike segment 14-nda kromosoomi otsast on translokeerunud X kromosoomi otsa. Inimese rakke, mis seda translokatsiooni sisaldasid, hübridiseeriti hiire rakkudega ja kasvatati HAT-söötmel. Mõned ellujäänud hübriidsed rakud sisaldasid lisaks hiire kromosoomidele ainult üht inimese kromosoomi – 14-ndat kromosoomi, kuhu oli liitunud enamus X kromosoomi pikemast õlast. Kuna eelnevalt oli teada, et geen HPRT paikneb X kromosoomis, oli nüüd selge, et see geen paikneb X kromosoomi pikemas õlas. Need hübriidsed rakud ekspresseerisid ka fosfoglütseraadi kinaasi (PGK) ning glükoos-6-fosfaadi dehüdrogenaasi (G6PD), mille geenid olid samuti eelnevalt X kromosoomi lokaliseeritud. Järelikult sai nüüd ka nende kahe geeni täpsem asukoht selgeks. Sama rakuliin ekspresseeris ka nukleosiidi fosforülaasi (NP), mille geeni kohta oli eelnevalt teada, et see paikneb 14-ndas kromosoomis. Seega sai nüüd välistada võimaluse, et NP-d kodeeriv geen paikneb 14-nda kromosoomi selles osas, mis oli translokeerunud X kromosoomi. Edasise analüüsi käigus töötati juba selliste translokatsiooni sisaldavate kromosoomidega, kus X kromosoomist olid üle kandunud lühemad segmendid. Nii oli võimalik uuritavad geenid X kromosoomis reastada.

X kromosoomis paikneb ka geen DMD, mille defektsus avaldub Duchenne lihaselise düstroofia näol. DMD on neuromuskulaarne haigus, mille sümptomid ilmnevad tavaliselt alates 6-ndast eluaastast. 12-ndaks eluaastaks jõuavad patsiendid ratastooli ning ei ela üle 20-nda eluaasta. Enamasti esineb DMD meestel, kuna see on X-liiteline retsessiivne haigus ning patsiendid ei ela nii kaua, et defektseid geene järgmisesse põlvkonda edasi anda. Siiski on ka üksikuid naissoost haigeid. Haiged naised kandsid kõik X kromosoomi, millest oli toimunud translokatsioon autosoomi. Kuigi autosoomid varieerusid, oli X kromosoomi katkemiskoht kõigil juhtudel regioonis, mis sisaldas DMD geeni. Naistel on üks X kromosoomidest rakkudes inaktiveeritud. Pooltes rakkudes on inaktiveeritud üks homoloogidest, pooltes teine. Translokatsiooniga X kromosoomi puhul aga inaktiveerus eelistatult normaalne X kromosoom.

3. Deletsioonide analüüs. Mõnikord läheb fragment kromosoomist lihtsalt kaotsi, deleteerub. Kui sel juhul ilmnevad indiviidil muutused fenotüübis, näiteks põeb ta mingit haigust, võimaldab deletsioon lokaliseerida geene, mille defektsus seda haigust põhjustab. Näiteks harvaesineva X kromosoomist toimunud deletsiooniga kaasnevad nähud kinnitasid, et DMD geen paikneb X kromosoomi lühemas õlas. Suhteliselt väikese deletsiooniga X kromosoomi väikesest õlast (Xp21) kaasnesid Duchenne lihaselise düstroofiaga veel sellised haigused nagu krooniline granulomatoos (CGD) - immunoloogiline haigus, millega kaasneb tsütokroom b defitsiit; retinis pigmentosa (RP) – puudulik nägemine ja McLeodi haigus, mille puhul on kahjustatud punased vererakud. Seega lokaliseerusid kõik neli eelpool kirjeldatud haigustega seotud geeni sinna küllaltki kitsasse regiooni. Edasi muutus võimalikuks konkreetsed geenid juba isoleerida. DMD geeni isoleerimise detailidest tuleb juttu hiljem.

4. Duplikatsioonide analüüs. Duplikatsiooni puhul on geeni poolt kodeeritud valgu hulk rakus kõrgem, see võib väljenduda kõrgenenud ensüümiaktiivsuses. Duplikatsioonide analüüsiks kasutatakse sageli translokatsioonidega kromosoome. Sel põhimõttel lokaliseeriti ka GOTs (glutamic oxaloacetic transaminase) geen. Eelnevate analüüside põhjal oli teada, et geen GOTs peaks paiknema 10-nda kromosoomi pikema õla distaalses segmendis. Geeni lokaliseerimiseks kasutati kolme erinevat hübriidsete rakkude liini. Esimeses rakuliinis sisaldus kaks koopiat 10-ndast, 17-ndast ja 21-st kromosoomist, kusjuures ühte 17-ndasse kromosoomi oli translokatsiooni tulemusena sattunud segment 10-nda kromosoomi otsast. Ka teine rakuliin sisaldas kahte 10-ndat, 17-ndat ja 21-st kromosoomi, kuid sel juhul oli translokatsioon 10-nda kromosoomi pikast õlast toimunud 21-sse kromosoomi. Mõlemas rakuliinis oli seega lisakoopia 10-nda kromosoomi segmendist. Kolmas rakuliin oli kontrolliks ning sisaldas kahte 10-ndat, 17-ndat ja 21-st kromosoomi. Erinevatest rakuliinidest määrati GOT ensüümi aktiivsust. Selgus, et teises rakuliinis, mis sisaldas 10-nda kromosoomi segmendi translokatsiooni 17-ndasse kromosoomi, oli ensüümiaktiivsus kõrgem. Kuna ensüümiaktiivsuse tasemed kontrollrakuliinis ja translokatsiooni 21-sse kromosoomi sisaldavas rakuliinis olid omavahel võrreldavad, õnnestus geen lokaliseerida kitsasse piirkonda, mis oli translokeerunud 17-ndasse kromosoomi, kuid mitte 21-sse kromosoomi.

Inimese geneetiline kaart

80-ndate aastate lõpul käivitati inimese genoomi projekt HUGO (Human Genome Project) mille peamiseks eesmärgiks on konstrueerida iga kromosoomi detailne kaart. Esmalt kaardistatakse konkreetsed segmendid, seejärel leitakse nende asukohad kromosoomides ning lõpuks määratakse nende segmentide nukleotiidne järjestus. Inimesel on ligikaudu 100000 geeni, mida identifitseerida. Kokku tähendab see ligi 3 miljardi nukleotiidi sekveneerimist. Praeguseks on identifitseeritud üle 5000 inimese geeni ja umbes pooltel neist on teada täpne asukoht kromosoomis. Enamus seniseks iseloomustatud geenidest on seotud kas mingi haigusega või geneetilise defektiga. Märksa raskem on aga konkreetseid geene seostada selliste normaalse muutlikkusega tunnustega nagu kasv, kaal, naha pigmentatsioon, juuste värvus, vastupanu haigustele.