12.3 Lögmál erfða

12.3 Lögmál erfða

Í lok þessa hluta muntu geta gert eftirfarandi:

• Útskýrt aðskilnaðarlögmál Mendels og lögmál hans um óháða samröðun út frá erfðafræði og atburðum meiósu
• Notað kvíslunaraðferðina og líkindareglur til að reikna líkindi arfgerða og svipgerða úr víxlunum margra gena
• Útskýrt áhrif erfðatengsla og erfðaendurröðunar á arfgerðir kynfrumna
• Útskýrt svipgerðarútkomur yfirstæðis milli gena

Mendel dró niðurstöður tilrauna sinna með garðertur saman í fjórar kenningar, sem sumar eru stundum kallaðar lögmál, og þær lýsa grunni ríkjandi og víkjandi erfða í tvílitna lífverum. Eins og þú hefur lært eru til flóknari útvíkkanir á erfðafræði Mendels sem sýna ekki sömu F₂-svipgerðarhlutföll (3:1). Engu að síður draga þessi lögmál saman grunnatriði klassískrar erfðafræði.

Pör einingaþátta, eða gena

Mendel lagði fyrst til að paraðir einingaþættir erfða flyttust óbreyttir frá kynslóð til kynslóðar með aðskilnaði paraðra þátta við kynfrumumyndun og endursameiningu þeirra við frjóvgun. Eftir að hann víxlaði ertum með andstæða eiginleika og komst að því að víkjandi eiginleikinn kom aftur fram í F₂-kynslóðinni, dró hann þá ályktun að erfðaþættir hlytu að erfast sem stakar einingar. Þessi uppgötvun stangaðist á við þá skoðun sem þá var ríkjandi, að eiginleikar foreldra blönduðust í afkvæmunum.

Genasamsætur geta verið ríkjandi eða víkjandi

Ríkjunarlögmál Mendels segir að í arfblendnum einstaklingi hylji einn eiginleiki tilvist annars eiginleika fyrir sama einkenni. Í stað þess að báðar genasamsætur stuðli að svipgerðinni tjáist ríkjandi genasamsætan ein. Víkjandi genasamsætan verður áfram dulin en berst til afkvæma á sama hátt og ríkjandi genasamsætan. Víkjandi eiginleikinn kemur aðeins fram hjá afkvæmum sem hafa tvö eintök af þessari genasamsætu (Mynd 12.15), og þessi afkvæmi verða hreinræktuð þegar þau eru sjálffrjóvguð.

Frá því að Mendel gerði tilraunir sínar með garðertuplöntur hafa vísindamenn komist að því að ríkjunarlögmálið gildir ekki alltaf. Þess í stað hafa fundist nokkur ólík erfðamynstur.

Jafn aðskilnaður genasamsæta

Mendel sá að hreinræktaðar garðertuplöntur með andstæða eiginleika gáfu af sér F₁-kynslóðir sem allar sýndu ríkjandi eiginleikann og F₂-kynslóðir sem sýndu ríkjandi og víkjandi eiginleika í hlutfallinu 3:1. Út frá þessu setti hann fram aðskilnaðarlögmálið. Þetta lögmál segir að paraðir einingaþættir (gen) verði að aðskiljast jafnt í kynfrumur þannig að afkvæmi hafi jafnar líkur á að erfa hvorn þáttinn. Fyrir F₂-kynslóð einblendingsvíxlunar geta þrjár mögulegar arfgerðasamsetningar orðið til: arfhrein ríkjandi, arfblendin eða arfhrein víkjandi. Þar sem arfblendnir einstaklingar geta orðið til eftir tveimur leiðum (með því að fá eina ríkjandi og eina víkjandi genasamsætu frá hvoru foreldri um sig), og þar sem arfblendnir og arfhreinir ríkjandi einstaklingar eru eins að svipgerð, styður lögmálið 3:1-svipgerðarhlutfallið sem Mendel sá. Jafn aðskilnaður genasamsæta er ástæðan fyrir því að við getum notað Punnett-reit til að spá nákvæmlega fyrir um afkvæmi foreldra með þekktar arfgerðir. Líkamlegur grunnur aðskilnaðarlögmáls Mendels er fyrri skipting meiósu, þar sem samstæðir litningar með mismunandi útgáfur hvers gens aðskiljast í dótturkjarna. Hlutverk litningaaðskilnaðar í meiósu við kynæxlun var vísindasamfélaginu ekki ljóst á ævi Mendels.

Óháð samröðun

Lögmál Mendels um óháða samröðun segir að gen hafi ekki áhrif hvert á annað þegar genasamsætur raðast í kynfrumur, og að allar mögulegar samsetningar genasamsæta fyrir hvert gen séu jafn líklegar. Óháða samröðun gena má sýna með tvíblendingsvíxlun, víxlun milli tveggja hreinræktaðra foreldra sem sýna mismunandi eiginleika fyrir tvö einkenni. Skoðum einkenni frælitar og fræáferðar hjá tveimur garðertuplöntum, annarri með græn, hrukkótt fræ (yyrr) og hinni með gul, kringlótt fræ (YYRR). Þar sem hvort foreldri er arfhreint segir aðskilnaðarlögmálið að allar kynfrumur grænu/hrukkóttu plöntunnar séu yr og allar kynfrumur gulu/kringlóttu plöntunnar séu YR. Þess vegna eru öll afkvæmi F₁-kynslóðarinnar YyRr (Mynd 12.16).

Í garðertuplöntum er kringlótt frælögun (R) ríkjandi yfir hrukkóttri frælögun (r) og gulur frælitur (Y) er ríkjandi yfir grænum frælit (y). Hvaða arfgerðir og svipgerðir geta orðið til í víxlun milli RrYY og rrYy garðertuplantna? Hversu marga reiti þarf til að gera Punnett-reitagreiningu á þessari víxlun?

Fyrir F₂-kynslóðina krefst aðskilnaðarlögmálið þess að hver kynfruma fái annaðhvort R-genasamsætu eða r-genasamsætu ásamt annaðhvort Y-genasamsætu eða y-genasamsætu. Lögmálið um óháða samröðun segir að kynfruma sem fær r-genasamsætu sé jafn líkleg til að innihalda Y-genasamsætu og y-genasamsætu. Þannig geta fjórar jafn líklegar kynfrumur myndast þegar YyRr arfblendinn einstaklingur er sjálffrjóvgaður: YR, Yr, yR og yr. Þegar þessum kynfrumum er raðað efst og vinstra megin í 4 $\times \text{⁠}$ 4 Punnett-reit (Mynd 12.16) fást 16 jafn líklegar arfgerðasamsetningar. Út frá þessum arfgerðum ályktum við að svipgerðarhlutfallið sé 9 kringlótt/gul : 3 kringlótt/græn : 3 hrukkótt/gul : 1 hrukkótt/græn (Mynd 12.16). Þetta eru þau hlutföll afkvæma sem við myndum búast við ef víxlanirnar væru gerðar með nægilega stóru úrtaki.

Vegna óháðrar samröðunar og ríkis má fella 9:3:3:1 svipgerðarhlutfall tvíblendingsvíxlunar saman í tvö 3:1 hlutföll, sem eru einkennandi fyrir hverja einblendingsvíxlun sem fylgir ríkjandi og víkjandi mynstri. Ef við horfum fram hjá frælit og skoðum aðeins fræáferð í tvíblendingsvíxluninni hér að ofan, myndum við búast við að þrír fjórðu hlutar afkvæma í F₂-kynslóðinni væru kringlóttir og einn fjórði væri hrukkóttur. Á sama hátt, ef við skoðum aðeins frælit, myndum við gera ráð fyrir að þrír fjórðu hlutar F₂-afkvæma væru gulir og einn fjórði grænn. Röðun genasamsæta fyrir áferð og lit er óháður atburður og því getum við beitt margfeldisreglunni. Þess vegna er væntanlegt hlutfall kringlóttra og gulra F₂-afkvæma (3/4) $\times \text{⁠}$ (3/4) = 9/16 og væntanlegt hlutfall hrukkóttra og grænna afkvæma (1/4) $\times \text{⁠}$ (1/4) = 1/16. Þessi hlutföll eru þau sömu og fást með Punnett-reit. Einnig má reikna hlutfall kringlóttra/grænna og hrukkóttra/gulra afkvæma með margfeldisreglunni, því hvor svipgerð inniheldur eina ríkjandi og eina víkjandi svipgerð. Hlutfall hvorrar þeirra er því (3/4) $\times \text{⁠}$ (1/4) = 3/16.

Lögmálið um óháða samröðun segir einnig að víxlun milli gulra, hrukkóttra (YYrr) og grænna, kringlóttra (yyRR) foreldra gefi sömu ${{\mathrm{F}}_1}^{-}$ og F₂-afkvæmi og YYRR × yyrr víxlunin.

Líkamlegur grunnur lögmálsins um óháða samröðun liggur einnig í meiósu I, þar sem mismunandi samstæð litningapör raðast upp af handahófi. Hver kynfruma getur innihaldið hvaða samsetningu sem er af föður- og móðurlitningum (og þar með genunum á þeim), vegna þess að stefna fernda á miðfasafletinum er tilviljanakennd.

Kvíslunaraðferð

Þegar fleiri en tvö gen eru skoðuð verður Punnett-reitaaðferðin ómeðfærileg. Til dæmis myndi rannsókn á víxlun sem felur í sér fjögur gen krefjast 16 $\times$ 16 reita, alls 256 reita. Það væri mjög seinlegt að færa hverja arfgerð inn handvirkt. Fyrir flóknari víxlanir henta kvíslunaraðferðin og líkindaaðferðin betur.

Til að útbúa kvíslunarmynd fyrir víxlun milli F₁-arfblendinna einstaklinga sem verða til við víxlun milli AABBCC og aabbcc foreldra, búum við fyrst til raðir sem samsvara fjölda gena sem verið er að skoða. Síðan aðskiljum við genasamsæturnar í hverri röð á kvíslunarlínum samkvæmt líkindum einstakra einblendingsvíxlana (Mynd 12.17). Að lokum margföldum við gildin eftir hverri kvíslunarleið til að fá líkindi F₂-afkvæma. Athugið að þetta ferli er myndræn útgáfa af margfeldisreglunni. Gildin eftir hverri kvíslunarleið má margfalda vegna þess að hvert gen raðast óháð hinum. Fyrir þríblendingsvíxlun er F₂-svipgerðarhlutfallið 27:9:9:9:3:3:3:1.

Líkindaaðferð

Þó að kvíslunaraðferðin sé myndræn leið til að halda utan um líkindi í víxlun, gefur líkindaaðferðin hlutföll afkvæma sem vænst er að sýni hverja svipgerð (eða arfgerð) án þessarar myndrænu hjálpar. Báðar aðferðir nota margfeldisregluna og skoða genasamsætur hvers gens sérstaklega. Áður skoðuðum við svipgerðarhlutföll í þríblendingsvíxlun með kvíslunaraðferðinni; nú notum við líkindaaðferðina til að skoða arfgerðarhlutföll í víxlun með enn fleiri genum.

Í þríblendingsvíxlun er seinlegt að skrifa upp kvíslunaraðferðina, þótt það sé ekki eins seinlegt og að nota Punnett-reit. Til að sýna betur styrk líkindaaðferðarinnar getum við þó skoðað ákveðna erfðafræðilega útreikninga. Í fjórblendingsvíxlun milli einstaklinga sem eru arfblendnir fyrir öll fjögur genin, þar sem öll fjögur genin raðast óháð og fylgja ríkjandi og víkjandi mynstri, hvaða hlutfall afkvæmanna má búast við að verði arfhreint víkjandi fyrir öll fjögur genin? Í stað þess að skrifa upp allar mögulegar arfgerðir getum við notað líkindaaðferðina. Við vitum að fyrir hvert gen er hlutfall arfhreinna víkjandi afkvæma 1/4. Með því að margfalda þetta brot fyrir öll fjögur genin, (1/4) $\times$ (1/4) $\times$ (1/4) $\times$ (1/4), fáum við að 1/256 afkvæma verða fjórfalt arfhrein víkjandi.

Fyrir sömu fjórblendingsvíxlun, hvert er væntanlegt hlutfall afkvæma sem hafa ríkjandi svipgerð í öllum fjórum genasætum? Við getum svarað þessari spurningu með svipgerðarhlutföllum, en gerum það hér erfiðu leiðina, með arfgerðarhlutföllum. Spurningin biður um hlutfall afkvæma sem eru 1) arfhrein ríkjandi í A eða arfblendin í A, og 2) arfhrein ríkjandi í B eða arfblendin í B, og svo framvegis. Ef við tökum eftir orðunum „eða“ og „og“ í hverju tilviki sést hvar á að beita samlagningarreglunni og margfeldisreglunni. Líkur á arfhreinni ríkjandi arfgerð í A eru 1/4 og líkur á arfblendinni arfgerð í A eru 1/2. Líkur á arfhreinni ríkjandi eða arfblendinni arfgerð eru 1/4 + 1/2 = 3/4 samkvæmt samlagningarreglunni. Sömu líkur fást á sama hátt fyrir hvert hinna genanna, þannig að líkur á ríkjandi svipgerð í A og B og C og D eru, samkvæmt margfeldisreglunni, 3/4 $\times$ 3/4 $\times$ 3/4 $\times$ 3/4, eða 81/256. Ef þú ert einhvern tíma óviss um hvernig eigi að sameina líkur ætti kvíslunaraðferðin að gera það skýrt.

Reglur um fjölblendingsvíxlanir

Að spá fyrir um arfgerðir og svipgerðir afkvæma út frá gefnum víxlunum er besta leiðin til að prófa þekkingu þína á erfðafræði Mendels. Þegar um er að ræða fjölblendingsvíxlun sem hlýðir lögmálinu um óháða samröðun og fylgir ríkjandi og víkjandi mynstri eru til nokkrar almennar reglur; þú getur notað þær til að yfirfara niðurstöðurnar þegar þú vinnur erfðafræðidæmi (Tafla 12.5). Til að beita reglunum verður þú fyrst að ákvarða n, fjölda arfblendinna genapara (fjölda gena sem hvert um sig aðskilur tvær genasamsætur). Til dæmis hefur víxlun milli AaBb og AaBb arfblendinna einstaklinga n-gildið 2. Aftur á móti hefur víxlun milli AABb og AABb n-gildið 1 vegna þess að A-genasætið er ekki arfblendið.

Tengd gen brjóta lögmálið um óháða samröðun

Þó að öll einkenni garðertna Mendels hafi hagað sér samkvæmt lögmálinu um óháða samröðun, vitum við nú að sumar samsetningar genasamsæta erfast ekki óháð hver annarri. Gen sem eru staðsett á aðskildum ósamstæðum litningum raðast alltaf óháð. Hins vegar inniheldur hver litningur hundruð eða þúsundir gena sem raðast línulega á litningnum eins og perlur á bandi. Aðskilnaður genasamsæta í kynfrumur getur orðið fyrir áhrifum af erfðatengslum, þar sem gen sem eru líkamlega nálægt hvert öðru á sama litningi eru líklegri til að erfast saman. Vegna erfðaendurröðunar, eða litningavíxla, geta tvö gen á sama litningi þó hagað sér óháð hvort öðru, eða eins og þau séu ekki tengd. Til að skilja þetta skulum við skoða líffræðilegan grunn erfðatengsla og erfðaendurröðunar.

Samstæðir litningar bera sömu gen í sömu línulegu röð. Genasamsæturnar geta verið ólíkar á samstæðum litningapörum, en genin sem þær samsvara eru þau sömu. Í undirbúningi fyrir fyrri skiptingu meiósu tvöfaldast samstæðir litningar og parast. Samsvarandi gen á samstæðu litningunum raðast saman. Á þessu stigi skiptast hlutar samstæðra litninga á línulegum hlutum erfðaefnis (Mynd 12.18). Þetta ferli kallast erfðaendurröðun, eða litningavíxl, og er algengt erfðafræðilegt ferli. Þar sem genin raðast saman við erfðaendurröðun breytist genaröðin ekki. Niðurstaðan er þess í stað sú að genasamsætur frá móður og föður sameinast á sama litningi. Á tilteknum litningi geta nokkrir endurröðunaratburðir átt sér stað og valdið mikilli uppstokkun genasamsæta.

Þegar tvö gen eru staðsett mjög nálægt hvort öðru á sama litningi teljast þau tengd og genasamsætur þeirra hafa tilhneigingu til að berast saman í meiósu. Til að sýna dæmi skulum við ímynda okkur tvíblendingsvíxlun sem felur í sér blómalit og plöntuhæð, þar sem genin liggja hlið við hlið á litningnum. Ef annar samstæði litningurinn hefur genasamsætur fyrir háar plöntur og rauð blóm, og hinn samstæði litningurinn hefur genasamsætur fyrir lágar plöntur og gul blóm, þá fara háu og rauðu genasamsæturnar saman í kynfrumu þegar kynfrumur myndast, og lágu og gulu genasamsæturnar fara saman í aðrar kynfrumur. Þetta kallast foreldraarfgerðir, því þær hafa erfst óbreyttar frá foreldri einstaklingsins sem myndar kynfrumur. Ólíkt því sem gerist ef genin væru á ólíkum litningum verða þó engar kynfrumur með genasamsætur fyrir háar plöntur og gul blóm og engar með genasamsætur fyrir lágar plöntur og rauð blóm. Ef þú býrð til Punnett-reit með þessum kynfrumum sérðu að klassísk spá Mendels um 9:3:3:1 niðurstöðu tvíblendingsvíxlunar á ekki við. Eftir því sem fjarlægðin milli tveggja gena eykst aukast líkurnar á einum eða fleiri litningavíxlum milli þeirra, og genin haga sér meira eins og þau væru á aðskildum litningum. Erfðafræðingar hafa notað hlutfall endurraðaðra kynfrumna (þeirra sem eru ekki eins og foreldraarfgerðirnar) sem mælikvarða á fjarlægð gena á litningi. Með þessum upplýsingum hafa þeir gert ítarleg genakort á litningum vel rannsakaðra lífvera, þar á meðal manna.

Í tímamótagrein Mendels er hvergi minnst á erfðatengsl, og margir rannsakendur hafa velt því fyrir sér hvort hann hafi rekist á þau en valið að birta ekki þær víxlanir af ótta við að þær myndu ógilda kenningu hans um óháða samröðun. Garðertan hefur sjö pör litninga og sumir hafa haldið því fram að val hans á sjö einkennum hafi ekki verið tilviljun. Jafnvel þótt genin sem hann rannsakaði hafi ekki verið á aðskildum litningum er þó mögulegt að hann hafi einfaldlega ekki séð erfðatengsl vegna víðtækra uppstokkunaráhrifa erfðaendurröðunar.

Tilgátan um óháða samröðun prófuð

Til að meta betur þá vinnu og hugvit sem fóru í tilraunir Mendels skulum við fara í gegnum eina af tvíblendingsvíxlunum hans.

Yfirstæði

Rannsóknir Mendels á garðertuplöntum gáfu til kynna að heildarsvipgerð einstaklings væri stjórnað af genum (eða einingaþáttum, eins og hann kallaði þau), þannig að hverju einkenni væri skýrt og fullkomlega stjórnað af einu geni. Í raun eru stök sjáanleg einkenni næstum alltaf undir áhrifum margra gena, hvert með tveimur eða fleiri genasamsætum, sem starfa saman. Til dæmis stuðla að minnsta kosti átta gen að augnlit hjá mönnum.

Í sumum tilfellum geta nokkur gen stuðlað að þáttum sameiginlegrar svipgerðar án þess að genaafurðir þeirra hafi nokkurn tíma bein samskipti. Við þroskun líffæra geta gen til dæmis tjáðst í röð, þar sem hvert gen eykur flækjustig og sérhæfingu líffærisins. Gen geta starfað á uppfyllandi eða samverkandi hátt, þannig að tvö eða fleiri gen þurfa að tjást samtímis til að hafa áhrif á svipgerð. Gen geta einnig unnið gegn hvert öðru, þannig að eitt gen breytir tjáningu annars.

Í yfirstæði er samspil gena andstætt, þannig að eitt gen hylur eða truflar tjáningu annars. Orðið epistasis er myndað úr grískum rótum sem merkja „að standa á“. Genasamsæturnar sem huldar eru eða þaggað er niður í eru sagðar vera undirstæðar gagnvart yfirstæðu genasamsætunum sem hylja þær. Oft er lífefnafræðilegur grunnur yfirstæðis genaferill þar sem tjáning eins gens er háð virkni gens sem kemur á undan eða eftir því í ferlinum.

Yfirstæði getur einnig átt sér stað þegar ríkjandi genasamsæta hylur tjáningu annars gens. Ávaxtalitur í sumarskvassi tjáist á þennan hátt. Arfhrein víkjandi tjáning W-gensins (ww) ásamt arfhreinni ríkjandi eða arfblendinni tjáningu Y-gensins (YY eða Yy) myndar gulan ávöxt, og wwyy arfgerðin myndar grænan ávöxt. Hins vegar, ef ríkjandi eintak af W-geninu er til staðar í arfhreinu eða arfblendnu formi, myndar sumarskvassið hvítan ávöxt óháð Y-genasamsætunum. Víxlun milli hvítra einstaklinga sem eru arfblendnir fyrir bæði genin (WwYy $\times$ WwYy) myndi gefa afkvæmi með svipgerðarhlutfallið 12 hvít : 3 gul : 1 græn.

Þegar þið vinnið erfðafræðidæmi skulið þið hafa í huga að hvert stakt einkenni sem leiðir til svipgerðarhlutfalls sem samtals er 16 er dæmigert fyrir samspil tveggja gena. Rifjið upp svipgerðarerfðamynstrið í tvíblendingsvíxlun Mendels, sem tók til tveggja gena sem höfðu ekki samspil: 9:3:3:1. Á sama hátt myndum við búast við að genapör sem hafa samspil sýni einnig hlutföll sem eru sett fram sem 16 hlutar. Athugið að við gerum ráð fyrir að genin sem hafa samspil séu ekki tengd; þau raðast enn óháð í kynfrumur.