Genetikos teorija

 1 Monohibridinis kryžminimas. 2 Alternatyvius požymius lemia du aleliniai genai. 3 Pirmasis ir antrasis G.Mendelio dėsniai Svarbiausius nepriklausomų požymių paveldėjimo dėsningumus nustatė G. Mendelis, pirmasis supratęs, kad paveldimi ne patys požymiai, bet juos lemiantys genai. Norėdamas nustatyti požymių paveldėjimo ypatumus, G. Mendelis sėkmin­gai pasirinko tyrimo objektą - žirnius Pisum sativum. Norint numatyti, koks bus kryžminimo rezultatas, pirmiausia reikia žinoti, kuris požymis dominuoja (kaip antai žirnio ankštis lygi ar nariuota; sėkla apvali ar raukšlėta ir t. t.). Visais šiais atvejais pirmasis po­žymis yra dominantinis (vyraujantysis), o antrasis - recesyvinis (slopinamasis). Iš pradžių G. Mendelis įsitikino, kad jo pasirinktos veislės yra stabilios ir kartų sekoje išlaiko konkretų požymį (pvz., žirnių su apvaliomis sėklomis, dauginamų savidulka, pirmosios, antrosios ir visų kitų kartų palikuonių sėklos yra apva­lios). Tada jis tokius žirnius ėmė kryžminti vienus su kitais. Pirmojoje gautų hibridų kartoje (F,) pasireiškė tik dominantinis požymis. Toliau F, žirniai buvo kryžminami vieni su kitais. Dalis jų palikuonių (F2) turėjo dominantinį požymį, o kita dalis - recesyvinj. Kaip galima paaiškinti tokius kryžminimo rezultatus? Imkime tik vieną alternatyvių požymių porą (pvz., geltoną ir žalią sėklų spal­vą) ir pagal pateiktą schemą atlikime kryžminimus. Toks kryžminimas vadina­mas monohibridiniu, nes analizuojama tik viena alternatyvių požymių pora, kurią, kaip vėliau paaiškės, lemia tik viena alelinių genų pora. Pažymėkime dominantinį požymį (geltoną sėklų spalvą raide A, o recesyvinj požymį (žalią sėklų spalvą) - a.) Iki kryžminimo G. Mendelis tokius žirnius kartų sekoje veisė savidulkos būdu, atrinkdamas tik tuos augalus, kurių požymiai (sėklų spalva) skirtingose kartose buvo stabilūs. Taigi pagal tiriamąjį požymį kryžminimui pa­rinkti žirniai (P) turėjo būti homozigotiniai: geltonieji - pagal dominantinį A alelinj geną (AA genotipas), o žalieji - pagal recesyvinj a alelinj geną (aa geno­tipas). Kokios gametos susidarys šiuose augaluose? AA genotipui susidarys tik A alelinj geną turinčios gametos, o aa genotipui - tik a alelinj geną turinčios gametos. Akivaizdu, kad sukryžminus tokius augalus vieną su kitu visi palikuo­niai (F,) bus heterozigotiniai, t. y. jų genotipas bus Aa. Fenotipiškai visų F, žirnių sėklos bus geltonos, nes pasireikš tik dominantinis A požymis. F, žirnius palikus savidulkai, tolesnius eksperimento rezultatus patogiau pa­teikti lentele arba vadinamąja Penėto gardele (gardelę XX a. pradžioje pa­siūlė anglų genetikas R. K. Penėtas (R. C. Punnett)). Tai lentelė, kurios kairiajame stulpelyje surašomi visų vyriškųjų gametų tipai, o viršutinėje eilutėje - visų moteriškųjų gametų tipai (nors galima ir atvirkščiai). Visi galimi palikuonių alelinių genų deriniai (genotipai) surašomi atitinkamų stulpelių ir eilučių san­kirtose. Nagrinėjamame pavyzdyje visų F, žirnių genotipas yra Aa. Todėl juose susi­formuos gametos, turinčios arba A, arba a alelinj geną. Svarstant toliau dera pateikti šiek tiek tikimybių teorijos elementų. Akivaiz­du, kad kiekvieno tipo gametų susidarymo tikimybė šiuo atveju yra 1/2 arba 50 %. Po apvaisinimo dvi gametos susilieja ir susidaro jose esančių alelinių genų deriniai, t. y. F2 genotipai. Taigi kiekvieno jų susidarymo tikimybė yra lygi atitinkamų gametų susidarymo tikimybių sandaugai. Taigi galutinis F2 žirnių genotipų santykis yra 1 : 2 : 1. Šios kartos au­galų tik aa genotipo sėklos bus žalios. Todėl žaliasėklių žirnių bus 1/4 (25 %). AA ir Aa genotipų sėklos bus geltonos. Todėl geltonsėklių žirnių bus 1/4 + + 1/2 = 3/4 (75 %). Taigi F2 fenotipų santykis yra 3 : 1 (dominantinis požymis : recesyvinis požymis). 1. Pirmosios kartos (F1 vienodumo arba dominavimo taisyklė.) Su­kryžminus dvi kartų sekoje stabilias žirnių formas, besiskiriančias pagal vie­ną požymį, pirmosios kartos palikuonių fenotipas yra toks pat kaip vieno iš tėvų. Pirmasis Mendelio dėsnis arba pirmosios hibridų kartos vienodumo į dėsnis. Sukryžminus homozigotinius individus, kurių vienas yra homozigotinis pagal vieną fenotipinį požymį lemiantį dominantinį alelinį geną, o antrasis - homozi­gotinis pagal alternatyvųjį požymį lemiantį recesyvinį alelinį geną, visų pirmosios palikuonių kartos fenotipas bus vienodas - dominantinis. Skilimo taisyklė. Sukryžminus du F, hibridinius žirnius, tarp F2 žirnių buvo abi pradinės formos, pasiskirstę tam tikru kiekybiniu santykiu: augalų su dominantiniu požymiu buvo trys dalys, o su recesyvinių - viena dalis. Antrasis Mendelio dėsnis arba palikuonių išsiskyrimo pagal fenotipą į dėsnis. Sukryžminus pirmosios kartos heterozigotinius hibridus vienus su kitais, antrosios kartos hibridai pagal jų fenotipinius požymius išsiskiria į abi pradi­nes tėvų formas santykiu 3 : 1, t. y. 75 % individų turės dominantinį po-Į žymį, o 25 % - recesyvinį. 4 Dihibridinis kryžminimas: nealeliniai genai paveldimi nepriklausomai vienas nuo kito Monohibridinis kryžminimas, kai analizuojama tik viena alternatyvių požymių ir juos lemiančių alelinių genų pora, yra pats paprasčiausias. Išnagrinėkime sudėtingesnį pavyzdį, kai dvi alternatyvių požymių poras nulemia kryžminamos dvi skirtingų (t. y. nealelinių) genų alelių poros. Toks kryžminimas vadinamas dihibridiniu G. Mendelis kryžmino žirnius, kurių sėklos geltonos ir lygios, su žaliais ir raukšlėtų sėklų žirniais. Akivaizdu, kad tai yra dvi poros alternatyvių požymių (sėklos geltonos arba žalios ir sėklos lygios arba raukšlėtos). Taigi turi būti ir du skirtingi nealeliniai genai, kiekvienas turintis po alelių porą. Tada yra dvi skirtingos poros alelių - viena pora lemia sėklų spalvą, o kita - sėklų pa­viršiaus lygumą. Jau žinome, kad geltona sėklų spalva dominuoja recesyvinės žalios spalvos atžvilgiu. Spalvą lemiančio geno alelius, kaip ir monohibridinio kryžminimo atveju, pažymėkime taip: dominantinę geltoną spalvą lemiantį alelį - A, o recesyvinę žalią spalvą lemiantį alelį - a. Analogiškai pažymėkime ir sėklų lygumą lemiančio geno alelius, tik pasirinkdami kitas raides. (Galite pasirinkti bet kokias raides.) Toliau alelį, lemiantį dominantinį sėklų lygumą, žymėsime B, o recesyvinį sėklų raukšlėtumą lemiantį alelį - b. įsidėmėkite, kad aleliniai genai A ir a nėra aleliniai kitos poros - B ir b aleliams. Parinktos tėvų (P) formos buvo homozigotinės: viena - pagal abi dominan-tines nealelinių genų alelių poras, o kita - pagal abi recesyvines alelių poras. Aptariant genotipus ir jų lemiamus požymius, dera pastebėti, kad, kai tėvinio augalo genotipas yra AA, sėklos būna geltonos, BB - sėklos lygios, aa -sėklos žalios, bb - sėklos raukšlėtos. Kadangi ir sėklų spalvą, ir lygumą le­miančius požymius turėjo abu kryžminimui paimti pradinės tėvų kartos augalai, jų genotipus turime užrašyti kartu abiem skirtingoms nealelinių genų alelių poroms: AABB ir aabb. Jų gametos gaus po vieną alelinį geną iš kiekvienos poros, t. y. vieno augalo - AB, o kito - ab. Sukryžminus šias dvi žirnių formas gametos susilieja, ir skirtingų genų aleliai vėl sudaro poras. Išvada - galimi F, augalų geno­tipai yra tik AaBb, o fenotipiniai visų F, augalų požymiai - abu dominantiniai (geltonos lygios sėklos) Susidarant gametoms tokiuose F1 augaluose, abiejų porų aleliai (A, a ir B, b) lytinėse ląstelėse pasiskirsto nepriklausomai, t. y. tikimybė, kad gameta gaus A alelinį geną yra lygi tikimybei, kad ji gaus a alelinį geną. Taigi kiekvieno atvejo tikimybė yra 1/2. Taip pat pasiskirsto ir antroji alelinių genų pora: B (1/2) ir b (1/2). Tarkime, kad abi analizuojamųjų alternatyvių požymių poras lemian­tys nealeliniai genai yra skirtingose (nehomologinėse) chromosomose. Taigi iš kiekvienos tokių genų alelių poros gameta gauna tik po vieną alelį, nes į game­ta patenka tik viena kiekvienos homologinės poros chromosoma. Gametose galimi tokie nealelinių genų alelių deriniai, kurių kiekvieno tikimybė yra 1/4 (25 %) Akivaizdu, kad F2 žirnių fenotipų pasiskirstymas kitoks nei geno­tipų: 9/16 augalų abu požymiai bus dominantiniai (1/16 + 2/16 + +2/16 + 4/16), 3/16 - pirmasis požymis dominantinis, o antrasis recesyvinis, 3/16 - pirmasis požymis recesyvinis, o antrasis dominanti­nis, ir tik 1/16 palikuonių dalis turės abu recesyvinius požymius. Taigi F2 individų pasiskirstymo pagal fenotipus santykis yra 9 : 3 : 3 : 1 Toks palikuonių santykis pagal fenotipus labiausiai tikėtinas, kai kryžminami individai yra heterozigotiniai pagal abu analizuojamuosius požymius ir kai neale-liniai genai, kurių aleliai lemia skirtingas požymių poras, yra skirtingose (t. y. nehomologinėse) chromosomose. Tik tada galioja nepriklausomo genų pasi­skirstymo gametose dėsnis 5 Analizuojantysis monohibridinis ir dihibridinis kryžminimas Norėdamas patikrinti šią veiksnių (taigi alelinių genų) išsiskyrimo hipo­tezę (kad F1 individai buvo heterozigotiniai su genotipu Aa), mokslininkas atliko analizuojančiuosius monohibridinius kryžminimus. Jis sukryžmino heterozigotinius aukštaūgius žirnius (Aa) su homozigotiniais pagal recesyvinį požymį žemaūgiais žirniais (aa). Šio kryžminimo rezultatą - F, genotipus taip pat galima pateikti Penėto gardele. Pastaba. Nors čia heterozigotinis augalas pažymėtas kaip vyriškasis, o recesyvinis homozi­gotinis - kaip moteriškasis, tačiau sukeitus lytis rezultatai nepasikeis Galiausiai F, žirnių skirtingų genotipų (Aa ir aa) santykis buvo 1 : 1. Ir fenotipai pasiskirstė tokiu pat santykiu 1:1. Taigi 50 % augalų turėjo dominantinį požymį ir 50 % - recesyvinį. Tokie rezultatai patvirtino hipotezę, kad aleliniai genai išsiskiria susidarant gametoms. G. Mendelis savo eksperimentais įrodė, kad recesyvinį homozigotinį individą sukryžminus su heterozigotiniu individu F1 individai pagal fenotipą išsiskiria santykiu 1:1. Tačiau kas atsitiktų, jei dominantinj fenotipą turinčio individo genotipas būtų homozigotinis? Mintyse atlikime tokį eksperimentą: aukštaūgius homozigotinius (t. y. AA) žirnius sukryžminkime su žemaūgiais homozigoti­niais (aa) žirniais. Bet juk tai tipiškas monohibridinis kryžminimas, kurį jau išnagrinėjome su geltonsėkliais ir žaliasėkliais žirniais! Akivaizdu, kad šiuo at­veju visi F, individai bus heterozigotiniai - taigi aukštaūgiai. Išvada. Atlikus analizuojantįjį monohibridinį kryžminimą, galima nustatyti, ar dominantinj požymį turinčio individo atitinkamos genetinės srities genotipas homozigotinis, ar heterozigotinis. Taigi analizuojamąjį individą reikia sukryžminti su recesyvinio fenotipo homozigotiniu individu: A- x aa (čia brūkšnelis žymi arba A, arba a alelinį geną). Priklausomai nuo analizuojamojo individo genotipo, rezultatai gali būti dvejopi: 1) jei visų F, individų fenotipas dominantis, tiriamasis dominantinio fenotipo individas yra homozigotinis (AA); 2) jei maždaug pusės F, individų fenotipas yra dominantinis, o likusiųjų -recesyvinis, tiriamasis dominantinio fenotipo individas yra heterozigotinis (Aa). Kai norima išsiaiškinti, ar abu dominantinius požymius turintis individas yra homozigotinis ar heterozigotinis, pagal abu šiuos požymius lemiančius nealelinių genų dominantinius alelius atliekamas analizuojantysis dihibridinis kryžminimas. Toks individas kryžminamas su individu, kuris yra homozigotinis pagal abu mus dominančius požymius lemiančių nealelinių genų recesyvinius alelius: A-B- x aabb (brūkšnelis čia žymi bet kurj atitinkamo geno alelį). Kaip ir analizuojančiojo monohibridinio kryžminimo atveju, rezultatai gali būti skirtingi: 1) jei tiriamasis dominantinio fenotipo individas yra homozigotinis abiejų neale­linių genų alelių atžvilgiu (AABB), tai visų F, individų genotipas bus heterozigotinis pagal abiejų genų alelius (AaBb), o fenotipas - dominantinis pagal abu požymius; 2) jei tiriamasis dominantinio fenotipo individas yra heterozigotinis pagal abiejų genų alelius (AaBb), tai F, individai pagal fenotipą išsiskirs ir pasiskirstys taip: • AaBb (1/4) - fenotipas dominantinis pagal abu požymius; • Aabb (1/4) - fenotipas dominantinis pagal pirmąjį požymį ir recesyvinis pagal antrąjį; • aaBb (1/4) - fenotipas dominantinis pagal antrąjį požymį ir recesyvinis pagal pirmąjį; • aabb (1/4) - fenotipas recesyvinis pagal abu požymius. Taigi palikuoniai pagal fenotipą pasiskirstys santykiu 1:1:1:1. Patys nustatykite, kokie bus F, individų fenotipiniai požymiai, jei tiriamasis domi­nantinio fenotipo individas yra homozigotinis pagal vieno nealelinio geno alelius ir heterozigotinis - pagal kito. Kalbant ir apie monohibridinį, ir apie dihibridinį kryžminimą, visą laiką buvo akcen­tuojama, kad požymius lemiantys vienos poros aleliniai genai yra homologinėse chromosomose. Be to, dihibridinio kryžminimo sąlygoje buvo padaryta prielai­da, kad dvi alelių poros, lemiančios skirtingų alternatyvių požymių poras, yra skirtingose nehomologinėse chromosomose. Tik tada tose chromosomose esan­tys genai paveldimi nepriklausomai. 6 Trečiasis G.Mendelio dėsnis. Jo įrodymai Trečiasis Mendelio dėsnis - nepriklausomo požymių paveldėjimo dėsnis į teigia: kiekvieną alternatyvių požymių porą lemiančių genų (veiksnių - faktorių) alelių pora susidarant gametoms išsiskiria nepriklau­somai viena nuo kitos. Gametose gali susidaryti visi įmanomi nealelinių genų alelių deriniai. Alternatyvius požymius lemiančių nealelinių genų alelių porų, esančių skirtingose chro­mosomose, gali būti ir daugiau nei dvi. Individų pasiskirstymo pagal fenotipą antrojoje hibridų kartoje santykj, kai yra n alelinių genų porų, nusako daugianaris (3 + 1)".Pastaba. Tačiau ne visos eukariotų chromosomos turi savo homologinę porą: heterogametinės (įvairiagametinės) lyties individų X ir Y chromosomos nėra homologinės. 7 Genų sankiba ir paveldėjimo ypatumai Nepriklausomas genų pasiskirstymas pagrįstas tuo, kad skirtingų nealelinių genų alelių poros yra skirtingose homologinių chromosomų porose. Kaip kar­tų sekoje pasiskirsto genai, esantys vienoje homologinių chromosomų poroje? Atliktų bandymų rezultatai (T.Morganas) parodė, kad vjenoje chromosomoje esantys genai dažniausiai paveldimi kartu, t. y. pasireiškia vadinamoji genų sankiba. Akivaizdu, kad šiuo atveju nepriklausomo požymių, kuriuos lemia skirtingi vienoje chromosomoje esantys genai, paveldėjimo nebus. G. Mendeliui tiesiog labai pasisekė dihibridiniam kryžminimui atsitiktinai pasirinkti žirnių požymius, kuriuos lemiantys genai yra skirtingose chromosomose - kitaip jis niekada nebūtų nustatęs F2 žirnių išsiskyrimo ir pasiskirstymo pagal fenotipą santykiu 9:3:3:1. Esantys vienoje chromosomoje ir kartu paveldimi genai sudaro sankibos grupę Tai ką gi gausime analizuodami dviejų skirtingų požymių paveldėjimą, jei juos lemiančios nealelinių genų alelių poros yra vienoje chromosomoje? T. Morganas sukryžmino rusvos spalvos museles, kurių sparneliai normalūs, su tamsios spalvos muselėmis, kurių sparneliai sutrumpėję. Visos F, muselės buvo rusvos su normaliais sparneliais. Apibendrinęs jis padarė išvadą, kad šios kartos individai buvo heterozigotiniai pagal dvi nealelinių genų (lemiančių kūno spalvą (A genas) ir sparnelių ilgį (B genas) alelių poras, kur dominantiniai požymiai buvo rusva spalva (A alelis) ir normalūs sparneliai (B alelis), o recesyviniai - tamsi spalva (a alelis) ir sutrumpėję sparneliai (b alelis). Buvo atliktas analizuojantysis kryžminimas ir sukryžmintos tokios dvigubai heterozigotinės (AaBb) F, vaisinių muselių patelės ir patinėliai, kurių spalva tamsi, o sparneliai sutrumpėję. Taigi kryžminamieji buvo dvigubai homozigotiniai pagal recesyvinius požymius (aabb). Pagal Mendelio dėsnius tokio analizuojančiojo di-hibridinio kryžminimo hipotetinis rezultatas turėtų būti palikuonių išsiskyrimas pagal fenotipą santykiu 1:1:1:1. Taigi F2 muselės turėtų būti keturių skirtingų fenotipų: 1/4 rusvų su normaliais sparneliais; 1/4 rusvų su sutrumpėjusiais spar­neliais; 1/4 tamsių su normaliais sparneliais ir 1/4 tamsių su sutrumpėjusiais sparneliais. Akivaizdžiai įsitikinta, kad taip nėra: F2 muselių skirtingų fenotipų santykis buvo 1 : 1. Šį kryžminimą ir jo rezultatus galima paaiškinti tik prielaida, kad abi skirtingų nealelinių genų ajejių poros, lemiančios skirtingus organizmo požymius, yra toje pačioje chromosomoje. Tada kryžminamų individų gametose susidaro ne keturi nepriklausomi variantai, o tik du. Kadangi šiame kryžminime patinėliai buvo homozigotiniai pagal abu recesy­vinius genus, esančius vienoje chromosomoje, tai jų abi homologinės chromosomos turėjo tą patį analizuojamų genų alelių rinkinį. Todėl atsitiktinai susiliejus vyriškoms ir moteriškoms gametoms susidarė tik du skirtingi palikuonių (F2) genotipai. Palikuonys pagal fenotipą taip pat buvo tik dviejų tipų. Taigi rezultatas toks pat kaip ir analizuojančiojo monohibridinio kryžminimo atveju. Tai patvirtina prielaidą, kad genai, esantys vienoje chromosomoje, paveldimi kartu. Kryžminant individus, dvigubai heterozigotinius pagal dvi nealelinių genų, esančių vienoje chromosomoje, alelių poras, lemiančias alternatyvius fenotipinius po­žymius, F2 individai pagal fenotipą išsiskiria santykiu 3 : 1 kaip ir per monohibridinj kryžminimą. Tolesni vaisinių muselių kryžminimai parodė, kad tai anaiptol ne vienintelis nukrypimas nuo Mendelio dėsnių. Prisiminkime mejozės procesą. Per pirmąjj mejozinį dalijimąsi jvyksta labai svarbus reiškinys - homologinių chromosomų neseserinių chromatidžių rekombinacija (genetiniai mainai) (žr. 2.8 pav., p. 53). Dėl jos susidaro gametos, kuriose yra skirtingi genų alelių rinkiniai, neturėję tėvinės formos. Antai homologinių chromosomų poroje, kurioje yra dvi neale­linių genų alelių poros Aa ir Bb, per pirmąjį mejozinj dalijimąsi įvyko viena rekombinacija, ir neseserinės chromatidės apsikeitė fragmentais (3.4 pav.). Taip atskirose homologinių chromosomų poros chromatidėse susidarė nauji tų pačių nealelinių genų alelių deriniai: Individai, turintys naujus genų derinius, vadinami rekombinantais, o jų fenotipai - rekombinantiniais fenotipais. Genai, esantys vienoje chromosomoje, sudaro vieną sankibos grupę ir pa­veldimi kartu, išskyrus tuos atvejus, kai tarp tų genų per mejozę įvyksta rekombinacija 8 Chromosomų genolapių sudarymas. T.Morgano darbai nustatant vaisinės muselės X chromosomos genolapį Ilgainiui pastebėta, kad egzistuoja tiesioginis ryšys tarp chromatidžių persikryžiavimo bei genetinių mainų dažnumo ir rekombinantinių fenotipų dažnumo. Rekombinantinių fenotipų dažnumu remiantis galima nustatyti atstumą tarp genų ir sudaryti chromosomų genolapius. Atstumas tarp genų ypač svarbus, nes kuo toliau vienas nuo kito yra du vienoje chromosomoje esantys genai, tuo didesnė tikimybė, kad per mejozę būtent tarp jų įvyks genetiniai mainai. Genetinio atstu­mo tarp genų matu įprasta laikyti 1 % rekombinantų palikuonių kartoje. Mūsų analizuotame pavyzdyje buvo nustatyta, kad 6 % F, palikuonių fenotipai buvo rekombinantiniai. Taigi atstumas tarp tuos fenotipus lemiančių genų (pvz., A ir B) yra 6 sąlyginiai vienetai. Norint įvertinti atstumus tarp trijų vienoje chromosomoje esančių genų, reikia atlikti daugelį kryžminimų ir pagal rekombinantų dalį tarp palikuonių nustatyti atstumus tarp kiekvieno iš šių nealelinių genų. Pavyzdžiui, chromosomoje yra trys genai A, B ir C. Kiekvienas jų turi po du alelius. Kaip šie genai išsidėstę chromosomoje? Galimi trys variantai: A-B-C, A-C-B ir B-A-C. Atlikus tyrimus nustatyta, kad atstumas: 1) tarp A ir B genų yra 6 vienetai; 2) tarp B ir C - 12,5 vieneto; 3) tarp A ir C - 18,5 vieneto. Pagal šiuos atstumus galima išdėstyti genus tiriamojoje chromosomoje tik vienu būdu: A-B-C - Nustačius daugelio genų linijinį išsidėstymą chromosomoje ir apskaičiavus genetinius atstumus tarp jų, sudaromas genetinis genolapis. Genetiniai at­stumai rodo, kaip dažnai tarp genų įvyksta rekombinacija, o ji skirtingose chro­mosomų vietose vyksta nevienodu dažnumu. Y chromosomos genetinio genolapio iš viso neįmanoma sudaryti, nes rekombinacija tarp Y ir X chromosomų nevyksta. Pastebėtina, kad genetiniai atstumai tarp genų neatitinka fizinių atstumų, kuriuos galima įvertinti chromosomos fragmento ilgiu, nukleotidų porų skaičiumi ir pan. Pagal pastaruosius sudaromi įvairios skiriamosios gebos fiziniai genolapiai (pats tiksliausias fizinis genolapis yra visa atskiros chromosomos ar net viso genomo nukleotidų seka). Šiuolaikiniai molekulinės citogėnetikos metodai jau leidžia pamatyti konkretų geną metafazinėje chromosomoje ir tiksliai nustatyti jo vietą (citogenetinis genolapis). 9 Pagrindiniai genolapių sudarymo principai 10 Genetiniai genolapiai 11 Fiziniai genolapiai 12 Chromosominės paveldimumo teorijos principai Chromosominė paveldimumo teorija apibudinama šešiais principais. 1. Skilimo (išsiskyrimo) principas. Antrosios kartos palikuonių (F2) pasi­skirstymas pagal fenotipus tam tikru santykiu aiškinamas homologinių chromo­somų pasiskirstymo gametose vykstant mejozei dėsningumais. 2. Nepriklausomo požymių paveldėjimo principas. Požymiai paveldimi nepriklausomai tik tada, kai juos lemiantys genai yra nehomologinėse chromo­somose. 3. Genų sankibos principas. Genai perduodami iš kartos j kartą su ta chro­mosoma, kurioje jie yra, nes šie genai yra sukibę ir negali būti paveldimi nepriklausomai. Šių genų lemiami požymiai taip pat perduodami „sukibę" - taigi ir paveldimi kartu. 4. Genų sankibos grupių principas. Pagrindinę genų sankibos grupę sudaro genai, esantys vienoje chromosomoje. Todėl sankibos grupių skaičius priklauso nuo chromosomų viengubojo chromosomų rinkinio n (t. y. skaičiaus lytinėje ląstelėje). Žmogaus n = 23, tačiau sankibos grupių yra 24, nes lytinės chromosomos yra skirtingos - X ir Y. 5. Rekombinacijos principas. Mejozės I profazėje tarp homologinių chro­mosomų neseserinių chromatidžių įvyksta rekombinacija, kurios rezultatas - ap­sikeitimas neseserinių chromatidžių fragmentais (t. y. įvyksta genetiniai mainai).Todėl homologinėse chromosomose susidaro nauji nealelinių genų alelių rinkiniai. 6. Linijinio genų išsidėstymo chromosomose principas. Genai chromosomose išsidėstę linijiškai (t. y. vienas paskui kitą). Neseniai šis teiginys papildy­tas naujais duomenimis - kartais į vieną geną įsiterpia kitas ar net keletas genų 13 Alelinių genų sąveikos ir kaip jos iškreipia paveldėjimą pagal G.Mendelio dėsnius Net ir tais atvejais, kai organizmo požymis išryškėja sąveikaujant tik dviem aleli-niams genams, Mendelio dėsniai akivaizdžiai pasireiškia tik esant visiškajam dominavimui, t. y. kai vienas genas (dominantinis) visiškai nustelbia kitą geną (recesyvinį), o F2 palikuonys išsiskiria į dvi grupes pagal fenotipą santykiu 3:1. Tačiau yra ir kitokių dominavimo tipų. Ne ką retesnis nei visiškasis dominavi­mas yra nevisiškasis (tarpinis) dominavimas, kai heterozigotiniai organiz­mai Aa skiriasi nuo abiejų homozigotinių, t. y. ne tik nuo aa, bet ir nuo AA. Todėl F2 individų pasiskirstymas pagal fenotipinius požymius atitinka genotipų pasiskirstymą. Pavyzdys - juodų ir baltų vištų kryžminimas. Taigi individų pasiskirstymo pagal fenotipinius požymius santykis yra toks pat, kaip ir genotipų -1:2:1. Kita alelinių genų sąveika vadinama superdominavimu. Šiuo atveju sąvei­ka tarp alelinių genų į tarpinį dominavimą panaši tuo, kad heterozigotiniai organizmai skiriasi nuo abiejų homozigotinių, tik jie yra ne tarpiniai, bet po­žymio intensyvumu pralenkia abu homozigotinius tėvus (AA ir aa). Superdominavimą galima užrašyti taip: AA aa. F2 individų pasiskirstymo pagal genotipą ir fenotipą santykis taip pat sutam­pa ir yra 1 : 2 : 1. 14 Kodominavimas ir ABO kraujo grupių paveldėjimas Kodominavimas yra toks dominavimo atvejis, kai abu aleliniai genai, kurie yra dominantiniai 3-iojo alelinio geno atžvilgiu, atsidūrę individo genotipe kartu, formuoja ne kokį nors tarpinį požymį (kaip tarpinio paveldėjimo atveju), bet abu genai yra veiklūs ir kiekvienas reiškiasi savaip. Ir šio paveldėjimo pavyzdys yra ABO kraujo grupės. Heterozigotinis organizmas (AB kraujo grupė) gamina abu antikūnus - ir anti-A, ir anti-B. A kraujo grupės asmenys gamina tik anti-B an­tikūnus, o B kraujo grupės asmenys - tik anti-A antikūnus. Taigi AB kraujo grupėje išreikšti abu kodominantiniai aleliai. Kai kuriais kodominavimo atvejais iš viso nėra normalaus recesyvinio alelio (nors recesyviniai aleliai gali atsirasti dėl mutacijų, apie kurias skaitykite II dalies 1-ajame sk.). Tada pagal fenotipą galima tiksliai apibūdinti genotipą. Tokio kodo­minavimo pavyzdys yra žmogaus MN kraujo grupės (3.2 lentelė). Taigi šioje sistemoje yra tik du aleliniai genai, kurie homozigotinėje padėtyje nulemia arba M, arba N kraujo grupes, o heterozigotinėje padėtyje veikia kodo-minantiškai ir nulemia MN kraujo grupę. Susituokus dviem asmenims, kurių kraujo grupė yra MN (MN x MN), gali gimti visų trijų kraujo grupių vaikai, o jų fenotipi-nio pasiskirstymo santykis atitiks genotipinį pasiskirstymą: MM : MN : NN = 1/4 : 1/2 : 1/4 = 1 : 2 : 1. Žinoma, tokį santykį gautume, jei šeima būtų daugiavaikė. Polialelizmas. Ligi šiol visi mūsų nagrinėti pavyzdžiai buvo pagrįsti dviejų ale­linių genų raiška. Tam tikro individo konkrečioje homologinių (porinių) chromo­somų genetinėje srityje galimi tik du aleliniai genai. Tačiau analizuojant daugybę individų kartais toje pačioje homologinių chromosomų vietoje alelinių genų (to paties geno struktūrinių atmainų) būna ir daugiau. Pavyzdžiui, ABO sistemos kraujo grupės. Jas lemia trys pagrindiniai aleliniai genai lA, lB ir l°, tačiau konkre­tus individas gali turėti tik du iš jų. Trys aleliniai genai gali sudaryti šešis skirtingus genotipus, kurie lemia atitinkamus fenotipus, t. y. kraujo grupes (3.1 lentelė). Taigi galiausiai yra keturios kraujo grupės, nes aleliniai genai lA ir lByra dominantiniai recesyvinio l° alelinio geno atžvilgiu, o tarpusavyje veikia kodominantiškai. Įsidėmėtina ir tai, kad ABO kraujo grupių sistemoje jau žinoma ir daugiau pagrindinių grupių atmainų, kurias lemia kiti aleliniai genai 3.1 lentelė. Žmogaus ABO sistemos genotipai ir jų sąlygojamos kraujo grupės Genotipas Kraujo grupė (fenotipas) |A|A A |A|0 A IBIB B IBIO B IAIB AB I0I0 0 15 Nealelinių genų pagrindinių sąveikų tipai Dar V. Beitsono (W. Bateson) atrasta nealelinių genų sąveika yra viena svarbiausių ir sudėtingiausių šiuolaikinės genetikos problemų. Tokie nealeliniai genai gali būti skirtingose tos pačios homologinių chromosomų po­ros vietose arba iš viso skirtingose chromosomose (pvz., žmogaus 1-osios, 3-iosios, 4-osios, 5-osios ir 7-osios chromosomos konkrečiose genetinėse srityse). Kiekvienas toks individualus genas turi bent du alelius, vienas ku­rių lemia požymį, o kitas poveikio požymiui neturi. Turintis įtakos alelinis genas žymimas didžiąja raide, o neturintis įtakos - mažąja. Paprasčiausia yra sąveika tarp dviejų nealelinių genų porų. Tik šio reiškinio nereikėtų painioti su polialelizmu. Jei dauginių alelių atveju tas pats genas gali turėti skirtingas alelines išraiškas, kaip ABO kraujo grupės lemiančių lA, lB, l° atve­ju, tai poligeninis paveldėjimas lemiamas daugelio skirtingų nealelinių genų (pvz., A, B, C, D ir t. t.), kurie yra skirtingose tos pačios chromosomos vietose ar skirtingose chromosomose. Genų veiklai sumuojantis pagrindžia­mas vieno požymio formavimasis. Genai modifikatoriai. Kiekvienam požymiui formuojantis galima išskir­ti pagrindinį geną (arba genus) ir genus modifikatorius, keičiančius pagrin­dinio geno savybes. Taigi pagrindinė jų veikla yra keisti arba reguliuoti (pvz., susilpninti arba sustiprinti) pagrindinio nealelinio geno veikimą. Dėl to dihibridinio kryžminimo atveju F2 individams nustatomi neįprasti pasi­skirstymo pagal fenotipus santykiai (dažniausiai -9:3:4). Epistaziniai genai. Tai recesyviniai nealeliniai genai, kurie visiškai nu­slopina kitų nealelinių genų - ir dominantinių, ir recesyviniu - veikimą. Kartais epistaziniai genai dar vadinami inhibitoriais arba supresoriais. Kai dvi nepri­klausomas alternatyvių požymių poras lemia dviejų skirtingų nealelinių genų, esančių skirtingose chromosomose, alelių poros, ir sąveikos tarp tų genų nėra, pagal Mendelio dėsnius F2 individams yra būdingas fenotipų santykis 9:3:3:1. Tačiau dėl epistazės nuo šio santykio nukrypstama. Žinomos kelios epistazės rūšys, sąlygo­jančios skirtingus fenotipinių požymių santykius: 12 : 3 : 1, 13 : 3 ir kt. 16 Poligeninis paveldėjimas. Jo reiškimosi kiekybiniai santykiai Poligeninis paveldėjimas. Požymiai, kuriuos lemia keli vienodai veikiantys nealeliniai genai, vadinami poligeniniais. Daugelį normalių individo požymių (ūgį, svorį, odos ir plaukų spalvą ir pan.) nulemia daugelis nealelinių genų, kurių veikla sumuojasi. Visi šie požymiai yra kiekybiniai. Jų skirtumai tarp individų nusta­tomi įvairiais matavimo vienetais (priklausomai nuo to, ką matuojame). Šiems požymiams būdinga viena savybė, skirianti juos nuo kokybinių požymių. Tai ne­pertraukiamas požymio įvairavimas. Statistiškai šie požymio reikšmių svyravimai išreiškiami normalaus pasiskirstymo dėsniu, dar vadinamu Gauso dėsniu. To­kiam požymių pasiskirstymui būdinga tai, kad individai, turintys vidutines požymio reikšmes, yra dažniausi. Individų, turinčių didesnes arba mažesnes už vidutinę požymio reikšmes, yra mažiau nei individų, turinčių vidutines požymio reikšmes. Kraštutiniai požymio reikšmių variantai yra rečiausi. Toks pasiskirstymas tiksliai aprašomas matematiškai ir turi savo statistines charakteristikas. Paprastai kreivė, apibūdinanti požymio pasiskirstymą didelėje individų grupėje, yra varpo for­mos (3.8 pav.). Kaip paveldimi kiekybiniai požymiai, 1908-aisiais nustatė švedų mokslininkas H. A//7-sonas-Elė (H. Nilson-Ehle). Jam pavyko aptikti paprasčiausius kiekybinių požymių pa­veldėjimo atvejus, kai požymį lemia viena, dvi ar trys alelinių genų poros, ir kiekvieno geno svarba požymiui yra apylygė. Jis šiuos dėsningumus nustatė kryžmindamas raudon grūdes ir balta g rudes kviečių veisles. Pastebėtina, kad kiekviena atskira kiekybinį požymį lemiančių alelinių genų pora kryžminant paklūsta Mendelio dėsniams. Pavyzdžiui, tarkime, kad odos pigmentaciją lemia trys nepriklausomi nealeliniai genai A, B ir C, kurių kiekvie­nas turi po du alelius (A ir a, B ir b, C ir c). Jų bendros raiškos rezultatas yra odos spalvos (pigmentacijos) intensyvumas. Šį paveldėjimo atvejį galima apibendrinti schema, pateikta 3.9 paveiksle (p. 79). F2 individų požymiai pagal fenotipą (odos spalvą) išsiskiria santykiu 1 : 6 : 15 : 20 : 15 : 6 : 1. Akivaizdu, kad daugiausia yra individų su vidutinio intensyvumo pigmentacija, o mažiausiai - po 1/64 populia­cijos dalį - asmenų, kurių oda labai šviesi arba labai tamsi. Lemiant kiekybinį požymį atskiro geno svarba tuo mažesnė, kuo daugiau genų pagrindžia to požymio susiformavimą Išvada : Jei paveldimąjį požymį lemia daug genų (poligenai), tai kiekvieno alelinio geno veikla sumuojasi. Fenotipų dažnumo populiacijoje kreivė yra varpo for­mos. Taigi atitinka Gauso pasiskirstymą. 17 Kiti genetinės informacijos realizavimą lemiantys mechanizmai: genomo įspaudas, mozaikiškumas, X chromosomos inaktyvinimas, nebranduolinis paveldėjimas Ligi šiol kalbėdami apie paveldimumo dėsnius, laikėme, kad požymio susi­formavimui nesvarbu, kurioje iš chromosomų - gautoje iš tėvo ar gautoje iš motinos - yra požymį lemiantis genas. Tačiau neseniai buvo pastebėta, kad kai kurie žinduolių genai veikia tik vienoje iš homologinių chromosomų, be to, priklauso nuo to, iš kurio iš tėvų ji yra gauta. Toks reiškinys vadinamas genomo jspaudu (imprintingu). Imprintingas būna moteriškasis, kai genai veiklūs tik iš motinos gautoje chromosomoje, ir vyriškasis, kai genai veiklūs tik iš tėvo gautoje chromosomoje (3.10 pav., A p.82). Kaip šis reiškinys veikia paveldėjimo ypatumus? Įspaudui (imprintingui) jautrios konkrečios genetinės srities genai gali turėti alelių, lemiančių skirtingus požymius. Tačiau, kai veikia tik vienas iš dviejų genų, esančių konkrečioje homologinės chromosomų poros vietoje, netenka prasmės šio geno alelių dominavimo ar recesyvumo sąvokos (palyginki­te su geno raiška hemizigotinėje padėtyje). Kuris iš tos genetinės srities alelių lems požymį, priklauso tik nuo homologinės chromosomos kilmės, t. y. nuo įspaudo (imprintingo) tipo. Geno raiška, kai veiklus tik vienas iš dviejų geno variantų, esančių dvigubaja-me chromosomų rinkinyje, vadinama monoaleline.Chromosomoms pereinant į palikuonių kartą (formuojantis gametoms arba iš karto po apvaisinimo), kiekvienos chromosomos turėtas įspaudo tipas „ištri­namas" ir „perrašomas" iš naujo (3.10 pav., B). Akivaizdu, kad pusės chromo­somų įspaudo tipas pasikeičia. Taigi palikuonių fenotipiniai požymiai, lemiami įspaudui jautrių genų alelių, gali skirtis nuo tėvų požymių, tik nebus nulemti Mendelio dėsniams būdingų santykių. Mozaikiškumas yra paveldėjimo proporcijas iškreipiantis reiškinys, kai or­ganizmas turi dvi ar daugiau ląstelių linijų, kurių genomai skiriasi, nors jos visos kilę iš tos pačios zigotos. Dažniausiai mozaikiškumas susiformuoja, kai dar nepraradusioje gebėjimo dalytis ląstelėje įvyksta mutacija. Taip atsiranda dvi ląstelių linijos (klonai): normalios ląstelės ir ląstelės, kurių genotipas pa­kitęs. Apie tai bus kalbama plačiau II dalies 4.3.3 skyriuje. Tačiau galimas ir natūralus moteriškosios lyties žinduolių ląstelių mozaikiškumas, atsirandantis dėl vienos iš dviejų X chromosomų inaktyvinimo. Klonas yra: 1)genetiškai tapačios vienos ląstelės palikuonės; 2) genetiškai tapačių organizmų grupė, kilusi iš vieno individo jam dauginantis nelytiniu būdu X chromosomos inaktyvumas Žinduolių (tarp jų ir žmogaus) lytinės chromosomos X ir Y yra nehomologinės, todėl genų rinkiniai jose skirtingi. Moteriškosios lyties individai (XX), t. y. patelės, neturinčios Y chromosomos, jos ir nepasigenda: Y chromosomo­je labai nedaug genų, o jų dauguma lemia vyriškąją lyties funkciją. Pastebėti­na, kad X chromosomoje yra daug abiejų lyčių organizmams svarbių genų. Neišvengiamai turėtų iškilti problemų, nes patinai, turintys tik vieną X chro­mosomą, pastarosios genų turi dvigubai mažiau nei patelės, turinčios dvi X chromosomas. Gamta šią problemą išsprendė taip, kad žinduolių patelių ląs­telėse viena iš dviejų X chromosomų tampa neaktyvi (t. y. joje neveiklūs dau­guma genų), ir tokiu būdu sulyginama X chromosomos genų dozė abiejų lyčių organizmuose. Embriono raidos pradžioje ląstelės kažkaip „susiskaičiuoja" savo chromosomas ir palieka vieną aktyvią, o kitą (kitas, jei dėl chromosomų skaičiaus pokyčių X chromosomų esama daugiau - žr. II dalies 4.1.3 skyrių) inaktyvina taip sutankindama jos chromatiną, kad interfaziniame branduolyje ši chromosoma matoma kaip kompaktiškas Baro kūnelis. Kurią iš dviejų X chromosomų inaktyvinti, pasirenkama atsitiktinai: vienose ląs­telėse tai iš motinos gauta X chromosoma, kitose - gauta iš tėvo (nors gali būti ir išimčių). Be to, toks pasirinkimas pastovus: jei jau tam tikroje ląstelėje inaktyvinama konkreti (pvz., gauta iš motinos) X chromosoma, tai visose tos ląstelės palikuonėse bus inaktyvinta būtent ši chromosoma. Taip susiformuoja dviejų tipų ląstelių klonai. Jei patelės X chromosomose yra skirtingi kurio nors geno aleliai (pvz., XA ir Xa), maždaug pusėje tokių ląstelių klonų bus veiklus vienas alelinis genas (XA), o kitoje pusėje - kitas (Xa). Tikriausiai visi esate matę katę vėžlio kiauto piešinio kailiu (3.11 pav. p 83). Tokia spalva yra akivaizdus X chromosomos inaktyvinimo padarinys. Nebranduolinis paveldimumas Aukštesniųjų eukariotų ląstelės, be branduolio DNR, turi ir mitochondrijų DNR (mtDNR), o augalai - dar ir plastidžių DNR. Be to, galimi ir kiti nechromosominės DNR elementai (pvz., plazmidės). Tose citoplazminėse DNR mo­lekulėse yra savi genai, svarbūs kai kuriems ląstelės gyvybiniams procesams. Jų paveldėjimo ypatumus išanalizuokime remdamiesi mtDNR pavyzdžiu.Kiekvienoje ląstelėje yra daug mitochondrijų, o kiekvienoje mitochondrijo­je - šimtai mtDNR molekulių. Akivaizdu, kad čia nėra prasmės kalbėti apie recesyvinių ir dominantinių alelių paveldėjimą pagal Mendelio dėsnius. Antra vertus, zigota mitochondrijas kartu su jų mtDNR molekulėmis gauna tik iš kiaušialąstės citoplazmos, todėl jose esančių genų ir jų fenotipinės išraiškos ypatumai perduodami palikuonims tik iš motinos.Be jokios abejonės, kad paveldėjimą lemiantys mechanizmai, kuriuos apžvel­gėme, dar ne visi. Be to, visada reikia turėti galvoje, kad organizmo fenotipą sąlygoja ne vien genai, bet ir aplinkos poveikis. Antra vertus, ir patys genai gali kisti. Taigi kintamumas ir bus analizuojamas antrojoje šio vadovėlio dalyje. 18 Mutacinis kintamumas. Jo pagrindinės charakteristikos Kintamumu vadinama bendra organizmų savybė įgyti naujų požymių, būdingų visiems tos pačios rūšies individams. Kisti gali visi organizmų požymiai: išorinės ir vidinės sandaros, fiziologijos, elgsenos ir kt. Negalima rasti dviejų visiškai identiškų vienos gyvūnų poros palikuonių arba iš to paties vaisiaus sėklų išaugusių vienodų augalų. Kadangi individai yra nevienodi, jų populiacijos esti nevienalytės. Visi organizmų pokyčiai skirstomi į paveldimuosius ir nepaveldimuosius. Nepaveldimieji pokyčiai yra modifikacijos, sukeliamos įvairių aplinkos povei­kių ir neperduodamos palikuoniams. Paveldimieji pokyčiai taip pat gali atsi­rasti dėl aplinkos poveikio, tačiau jie yra perduodami kitoms ląstelių ar individų kartoms. Pagal atsiradimo pobūdį juos galima skirti į rekombinantinius ir mu-tantinius. Rekombinantiniai pokyčiai atsiranda palikuonių kartoje vienaip ar kitaip derinantis ir kombinuojantis dviejų tėvinių formų genetinei medžiagai (genams bei chromosomoms). Kita paveldimųjų pokyčių grupė, viena svarbiausių evoliucijos varomųjų jėgų, yra mutacijos. Dėl atsitiktinių priežasčių atsiradę paveldimi pokyčiai pamažu plinta ir kaupiasi populiacijose, jos nariams laisvai kryžminantis tarpusavyje. Nors vien dėl tokių paveldimų pokyčių nauja populiacija atsirasti negali (o juo labiau - nauja organizmų rūšis), jie yra svarbi medžiaga atrankai ir būtina evoliucinių pokyčių sąlyga. Paveldimumas ir kintamumas - tai skirtingos organizmo savybės, dėl kurių palikuoniai būna ir panašūs, ir nepanašūs į tėvus bei protėvius. Paveldimumas liudija tam tikrą gyvų būtybių pastovumą, išliekantį per daugelį kartų, o kinta­mumas - jų gebėjimą kisti.Jau seniai pastebėta, kad retkarčiais netikėtai atsiranda individų, vienokiu ar kitokiu požymiu išsiskiriančių nuo kitų savo rūšies individų. Tokie fenotipo pokyčiai yra susiję su genotipo pokyčiais. Todėl ši kintamumo forma vadina­ma mutacine, o atskiri pokyčiai – mutacijomis pagrindines mutacijų savybes. 1. Pokyčiai atsiranda staiga, šuoliškai. Pokyčių turinčio individo tėvai jų neturėjo arba dalis to individo kūno ląstelių yra pakitę naujai. 2. Mutacijos yra tiksliai apriboti pokyčiai. Nesusidaro nepertraukiamų kinta­mumo eilių, būdingų variaciniam kintamumui (modifikacijoms). (Tai dar aptar­sime tolesniuose šios knygos skyriuose.) 3. Mutacijų pagrįstų požymių kitimų kryptis yra įvairi. Taigi mutacijos gali būti ir naudingos, ir žalingos. 4. Naujos mutacijų formos išlieka pastovios kartų sekoje. 5. Dėl mutacijos pakitusiame organizme gali įvykti nauja mutacija, lemianti naują organizmo savybę (tiesioginė mutacija) arba pradinės organizmo sa­vybės atkūrimą (grįžtamoji mutacija). 6. Kadangi mutacijos įvyksta labai retai, naują mutaciją dažniausiai galima aptikti tik ištyrus didelį skaičių individų. Mutacija laikomas tik toks genetinės informacijos pokytis, kuris yra paveldimas, t. y. perduodamas kitoms ląstelių ar organizmų kartoms. 19 Genomo mutacijos Genomo mutacijos yra tokios mutacijos, dėl kurių pakinta chromosomų skaičius. Kisti gali visas viengubasis chromosomų rinkinys (n) (daugėti kar­totinį kartų skaičių - poliploidija) arba tik vienos chromosomos skaičius {aneuploidija). Poliploidija yra kartotinis viengubųjų chromosomų rinkinių skaičiaus padidėjimas (3n, An, 6n ir pan.). Ji dažnesnė augalų karalystėje. Dauge­lis žmogui naudingų kultūrinių grūdinių bei kitokių augalų yra poliploidiniai: bulvės - tetraploidinės {4n), kviečiai - heksaploidiniai (6n) ir t. t. Gyvūnų poliploidija yra reta ir būdinga tik kai kurioms žuvų, kirmėlių ir vabz­džių rūšims. Yra du pagrindiniai poliploidų tipai: 1) autopoliploidai - kai tos pačios augalų rūšies chromosomų rinkinių skaičius pakinta dėl ląstelės dalijimosi sutrikimų arba dėl somatinių ląstelių susiliejimo; 2) alopoliploidai - gaunantys savo chromosomų rinkinius iš skirtingų rūšių augalų tolimosios hibridizacijos metodais. Poliploidai gali atsirasti ir natūraliai, kai sutrikus mejozei visos ląstelėje esančios chromosomos nukeliauja j vieną ląstelės polių, suformuodamos lytinę ląstelę, turinčią dvigubąjį chromosomų rinkinį (2n). Jei apvaisinimo metu ji susilies su normalia lytine ląstele, turinčia viengubąjį chromosomų rinkinį (n), zigota įgis trigubąjį chro­mosomų rinkinį (3n). Tai pats dažniausias atvejis. Poliploidizaciją galima sukelti ir dirbtiniu būdu, naudojant įvairias chemines me­džiagas. Dažniausiai tam taikomas kolchicinas, kuris blokuoja verpstės siūlų forma­vimąsi besidalijančioje ląstelėje. Todėl chromosomos nenukeliauja į priešingus ląstelės polius, ir susiformuoja tetraploidinės (4n) ląstelės. Nors kai kurios augalų poliploidinės mutacijos yra naudingos žmonėms, tačiau tokios mutacijos, įvykusios žmogaus organizme, yra žalingos. Aneuploidija žr. toliau 20 Aneuploidijų susidarymo mechanizmas. Trisomijos ir monosomijos Aneuploidija yra pavienių chromosomų skaičiaus kitimas. Normalioje soma­tinėje ląstelėje kiekvienoje homologinių chromosomų poroje yra po dvi chromoso­mas. Šis skaičius gali kisti abiem kryptimis - ir mažėti (2n - 1), ir didėti (2n + 1). Aneuploidijos dažniausiai atsiranda formuojantis lytinėms ląstelėms. Jei lytinėje ląstelėje vietoj vienos homologinės chromosomos yra dvi, tai po apvaisinimo zigo­toje bus jau trys homologinės chromosomos. Toks atvejis vadinamas trisomija. Trisomijos dažniausiai atsiranda todėl, kad ląstelės pirmojo mejozinio dalijimosi anafazėje vienos poros homologinės chromosomos neatsiskiria ir abi patenka į vieną ląstelę. Rečiau chromosomos neatsiskiria per antrąjį ląstelės mejozinį daliji­mąsi, seserinėms chromatidėms atsiskiriant vienai nuo kitos. Sutrikus seserinių chromatidžių atsiskyrimui viena ląstelė po antrojo mejozinio dalijimosi gauna dvi chromosomas (susidariusias iš seserinių chromatidžių), o kita - negauna nė vie­nos. Šie homologinių chromosomų arba seserinių chromatidžių neatsiskyrimo vykstant mejozei rezultatai pavaizduoti 1.2 pav. Paveiksle matomų homologinių chromosomų atsiskyrimo klaidas per pirmąjį mejozinį dalijimąsi nulemia tai, kad viena ląstelė gauna dvi homologinės chromosomas (disomija, n + 1), o antroji -nė vienos šios poros homologinės chromosomos (nulisomija, n - 1). Po antrojo mejozinio pasidalijimo dvi lytinės ląstelės yra disominės, o kitos dvi - nulisominės (1.2 pav., B). Nors normaliai visos keturios turėtų būti monosominės (n) (1.2 pav., A p.95) Jas apvaisinus normaliomis monosominėmis lytinėmis ląstelėmis gali susidaryti 50 % zigotų, turinčių po tris homologines chromosomas. Likusios 50 % zigotų turės tik po vieną homologinę chromosomą iš tos chromosomų poros. Seserinių chromatidžių neatsiskyrimo per antrąjį mejozinj ląstelių dalijimąsi pa­dariniai skiriasi nuo prieš tai nagrinėtųjų. Pirma - galima tikėtis, kad 50 % lytinių ląstelių (t. y. dvi gametos) bus normalios monosominės (1.2 pav., C). Antra - tik viena gameta gauna dvi vienos iš dviejų homologinių chromosomų kopijas, ir tik viena yra nulisominė. Naujausi tyrimai įrodo, kad dauguma trisominių vaikų papil­domą chromosomą (autosomą) yra paveldėję iš savo motinų. Seserinės chromatidės gali neatsiskirti ir vykstant mitozei bet kuriame organiz­mo raidos tarpsnyje, tokiu būdu duodamos akstiną aneuploidinių ląstelių klonams atsirasti ir sąlygodamos organizmo mozaikiškumą. Kaip jau buvo minėta, vienos homologines chromosomos stygius zigotoje vadi­namas monosomija. Kaip ir trisomija, monosomija atsiranda todėl, kad chro­mosomos per mejozinj ląstelės dalijimąsi neatsiskiria (tai gerai matyti 1.2 paveikslo B ir C dalyje), kai susidaro nulisominės gametos. Po apvaisinimo normalia lytine ląstele tokios gametos turės tik po vieną homologines poros chromosomą. Chromosomų aneuploidija aptikta ir augalų, ir gyvūnų pasaulyje. Dažniausiai jos poveikis organizmui yra neigiamas. 21 Chromosomų mutacijos Chromosomų mutacijomis vadinami įvairūs chromosomų struktūriniai persitvar­kymai: iškritos, padvigubėjimai, apgrąžos, intarpai, translokacijos ir kt. Pro optinį mikroskopą galima matyti chromosomų struktūros pokyčius, jei jie apima didesnį nei 4 milijonų nukleotidų porų fragmentą (pvz., > 4 000 kb iškrita). Taigi kiekviena chromosomų mutacija apima daugiau kaip vieną geną, nes patys didžiausi ge­nai retai būna didesni nei 1 milijonas nukleotidų porų. Apie tokio fragmento praradimą arba atsiradimą sprendžiama pagal chromosomų ruoželius - ar kurio nors trūksta, ar vienu per daug. Vidutinis chromosomos ruoželis apima nuo 1 iki 10MbDNR. Iškrita (delecija) - tai chromosomos dalies praradimas. Dėl jos susidaro dvigubojo kariotipo prarastojo chromosomos fragmento monosomija. Dažniausiai iškritos, sudarančios apie 2 % viengubojo chromosomų rinkinio (n), yra nesuderina­mos su gyvybe. Chromosomos dalis gali iškristi bet kurioje chromosomos vietoje - ir gale, ir per vidurį. Tokiai mutacijai atsirasti reikia dviejų įvykusių chromosomos trūkių. Iškritus fragmentui likusios chromosomos dalys turi vėl susijungti. Tokia chromosoma yra trumpesnė už normalią. Iškritęs fragmentas dažniausiai pametamas. Schemoje (1.3 pav.p. 96) pavaizduota iškrita susiformavo ilgajame chromosomos petyje arti centrometros. 1.4 paveiksle pateiktas mo­ters kariotipas, kuriame nustatyta 16-osios chromosomos ilgojo peties segmen­to iškrita. Greta pateiktose atitinkamų chromosomų ideogramose matyti, kad iš normalios 16-osios chromosomos iškritęs vienas tamsus ruožas, kuris gerai matomas pro optinį mikroskopą. Šiandieninės citogenetikos (mokslo apie chro­mosomas) metodais jau bandoma nustatyti ir iškritas, nematomas pro paprastą optinį mikroskopą. Molekuliniais citogenetiniais tyrimų metodais, naudojant specialius genetinius žymeklius, chromosomoje galima pažymėti atskirą ge­ną, kuris pro liuminescentinį mikroskopą matomas kaip šviečiantis spalvotas taškas chromosomoje. Jei chromosomos fragmentas, kuriame yra šis genas, yra prarastas, tai šviečiančio taško nematysime. 1.5 paveiksle pateiktame mo­ters kariotipe nustatyta, kad trūksta tam tikro geno (steroidinės sulfatazės geno). Padvigubėjimas (duplikacija) yra chromosomų mutacija, kai kuris nors chromosomos segmentas padvigubėja, patrigubėja ir pan. (1.6 pav.). Kartais tokie pasikartojantys chromosomos segmentai yra išsidėstę paeiliui - vienas paskui kitą. Pro optinį mikroskopą matomas padvigubėjimas apima bent kele­tą genų. Jei normalios vienos homologinės poros chromosomos yra vienodo ilgio, tai pateiktajame pavyzdyje viena chromosoma bus normalaus dydžio (šitai galima įvertinti suskaičiavus tamsius ir šviesius chromosomos ruožus), o kita - pailgėjusi tam tikru fragmentu, kuris pasikartoja ilgajame chromosomos petyje (1.6 pav. tokį chromosomos fragmentą sudaro vienas didesnis tamsus ruožas, vienas mažesnis tamsus ruožas bei tarp jų esantys šviesūs ruožai). Apgrąža (inversija) yra chromosomų mutacija, kai kuris nors chromosomos segmentas apsiverčia (t. y. apsisuka 180° kampu; 1.7 pav.). 1.7 paveiksle pa­vaizduotas apsisukęs palyginti nedidelis chromosomos ilgojo peties segmen­tas. Apgrąžai atsirasti būtinai turi įvykti du chromosomos trūkiai, kaip ir iškritai atsirasti, tik fragmentas tarp trūkių ne pametamas, o apsisukęs vėl susijungia su kitomis dviem chromosomos dalimis. Apgrąža gali įvykti tik kuriame nors chromosomos petyje arba apimti ir centromerą. 1.8 paveiksle pateiktas karioti­pas, kuriame nustatyta 10-osios chromosomos ilgojo peties fragmento apgrą­ža. Ji apima labai didelį segmentą: beveik visą šios chromosomos ilgąjį petį nuo q11.23 segmento iki q 26.3 segmento (žr. ideogramas 1.8 pav. dešinėje, p. 98). Akivaizdu, kad dėl apgrąžos genų skaičius 10-ojoje chromosomoje nepakito, tačiau pasikeitė genų seka. Chromosomos trūkiai gali įvykti tarp genų, tačiau bent vienas trūkis gali atsirasti ir geno viduje, taip nutraukdamas jo raišką Dažniausiai apgrąžos neturi poveikio organizmo funkcijoms, tačiau gali kilti nesklandumų homologinėms chromosomoms susiglaudžiant mejozės I pro-fazėje. Jei per šią chromosomų pertvarką būtų pertrauktas svarbus genas, padariniai organizmui būtų labai skaudūs. Translokacijos žr. toliau 22 Translokacįjos. Jų pagrindiniai tipai Translokacijomis vadinamos tokios chromosomų mutacijos, kai įvykus trūkiams pasikeičia segmento vieta toje pačioje chromosomoje, segmentas per­sikelia iš vienos homologinės chromosomos j kitą šioms apsikeičiant segmen­tais, arba persikelia iš vienos nehomologinės chromosomos j kitą nehomologinę chromosomą, pastarosioms apsikeičiant segmentais (1.9 pav.). 1.9 paveiksle pavaizduotas apsikeitimas segmentais tarp 4-osios chromosomos ilgojo peties ir 20-osios chromosomos ilgojo peties. Apie pakitusią chromosomos struktūrą sprendžiama iš jos ilgio, o kokiomis dalimis apsikeista, parodo ruožuotumas. 1.10 paveiksle matome, kaip atrodo normalios ir translokuotos nehomolo­ginės 5-oji ir 8-oji vyriškojo kariotipo chromosomos. Šiuo atveju didelis 5-osios chromosomos ilgojo peties segmentas sukeistas su mažu 8-osios chromoso­mos trumpojo peties segmentu. Nors pasikeitė atitinkamų chromosomų dy­dis, tačiau bendras genetinės medžiagos kiekis tokioje ląstelėje nepakito. Taigi kariotipas yra subalansuotas. Dažniausiai tokie chromosomų persitvarkymai individo fenotipe nepasireiškia.tačiau jei trūkio vieta yra veiklaus geno viduje, fenotipas gali pakisti Dėl įvykusios translokacijos homologinės chromosomos per mejozę negali sudaryti nor­malių bivalentų, nes vykstant pirmajam mejoziniam dalijimuisi gali susiglausti tik tos chro­mosomų poros dalys, kuriose yra homologinė DNR seka, o nehomologinės dalys lieka lais­vos. Per pirmąjį mejozinį dalijimąsi toliau vyks­tant homologinių chromosomų atsiskyrimui jos gali neatsiskirti arba atsiskirti nevisiškai, todėl galiausiai lytinėse ląstelėse (gametose) susidaro nesubalansuotas chromosomų rin­kinys. Tokioms gametoms susiliejus per ap­vaisinimą, naujos ląstelės (zigotos) chromo­somų rinkinys taip pat bus nesubalansuotas ir lems nepageidautinus iš tokios zigotos su­siformavusio individo fenotipo pokyčius. Žinoma dar viena labai specifinė chromosomų translokacijų rūšis. Tai vadinamo­sios akrocentrinių chromosomų (1.11 pav.) Robertsono translokacijos (1.12 pav.). Chromosomų trūkiams įvykus dviejų akrocentrinių chromosomų trumpuosiuose pečiuose ar net centromeroje, iš chromosomų ilgųjų pečių, susijungusių per cen-tromeras, susidaro viena nauja chromosoma, o trumpieji pečiai prarandami. 23 Genų mutacijos Genų mutacijomis vadinamos pavienių genų mutacijos. Nemaža dalis geno pokyčių tipų atitinka chromosomų mutacijas (pvz., iškritos, intarpai). Esmi­nis skirtumas yra pokyčio dydis. Chromosomų mutacijos dažniausiai nusta­tomos stebint pro optinį mikroskopą ir apima kelis ar net kelis šimtus ir tūkstančius genų. Kalbėdami apie genų mutacijas, jas suvokiame kaip nukleotidų sekos pokyčius vieno geno ribose. Šias mutacijas galima aptikti kryžminimo metodais arba šiuolaikiniais molekulinės genetikos metodais. Tarp jų paminėtini ir automatinis DNR nukleotidų sekos nustatymas bei vadinamieji genomo lustai (arba genetinės mikroschemos) daugelio genų nukleotidų sekai nustatyti. Sparti DNR technologijos pažanga leido supras­ti DNR nukleotidų sekų lygmens taškinių mutacijų prigimtį ir apimtis. Antra vertus, citogenetiniai (chromosomų tyrimo) metodai taip pat labai išto­bulėjo ir, kaip jau buvo minėta, leidžia nustatyti ar apskritai atskiroje meta-fazinėje chromosomoje yra tam tikras genas, ar jo nėra.Genų mutacijos būna įvairių tipų. Jų susidarymo mechanizmai taip pat įvairuoja. Šios mutacijos gali veikti informacijos nurašymą nuo DNR į RNR, iRNR brendimą, baltymo sintezę, susintetinto baltymo struktūros ir funkcijų pokyčius. Galiausiai per daugelį tarpinių procesų geno mutacijos paveikia ir organizmo fenotipą. Genų mutacijų analizę pradėkime nuo didžiausių DNR nukleotidų sekos pokyčių ir laipsniškai pereikime prie mažesnių. Didžiosios genų mutacijos, apimančios iki 4 milijonų nukleotidų porų, yra didelių geno fragmentų, ištiso geno ar net kelių nedidelių genų iškritos, padvigubėjimai ir intarpai, o mažosios - taškinės mutacijos - susijusios tik su vienu ar keliais nukleotidais. Visuose organizmuose vykstančios genų mutacijos yra panašios. Mažosioms (taškinėms) genų mutacijoms priskiriamos vieno nukleotido pakaitos ir vieno ar kelių nukleotidų intarpai arba iškritos. 1) Vieno nukleotido pakaitos yra daugelio paveldimųjų ligų priežastis. Jos gali būti kelių tipų. Pagal tai, kaip vieno nukleotido pakaitos pakeičia kodoną, jos gali būti misens1 mutacijos, nonsens2 mutacijos ir tyliosios3 mutacijos. Dėl misens mutacijų pakitus nukleotidui pasikeičia ir kodonas. Jis ima ko­duoti jau kitos aminorugšties įterpimą į polipeptidinę grandinę. Taip baltyme viena aminorūgštis pakeičiama kita aminorūgštimi. Pokyčio padarinius apspren­džia polipeptido vieta, kurioje pakaita įvyko, ir įtaka baltymo erdvinei struktūrai, kuri galiausiai ir lemia naują baltymo funkciją. Pjautuvinės anemijos atveju he­moglobino (3 grandinę koduojančio (3 globino geno 17-ojo nukleotido pakaita (A nukleotido pakeitimas T nukleotidų) pakeičia 6-osios polipeptidinės gran­dinės aminorugšties glutamo rūgštį koduojantį kodoną GAG valiną koduojančiu kodonu GTG (1.13 pav.). Dėl nonsens mutacijų kodonas, koduojantis kurią nors aminorūgštį, pakeitus jame vieną nukleotidą, virsta bepras­miu, t. y. nekoduojančiu jokios aminorugšties arba baigmės kodonu. Ribosomai priėjus tokią iRNR molekulės vietą, baltymo sintezė sustoja. Tokie kodonai yra trys (žr. I dalies 1.5 skyrių ir 1.15 pav.): TAA, TAG ir TGA. Suprantama, kuo arčiau geno 5' galo susiformuoja baigmės kodonas, tuo trum­pesnė polipeptidinę grandinė susintetinama. Toks sutrumpėjęs baltymas dažniausiai jau nebegali atlikti savo funkcijos. Pavyzdys galėtų būti CFTR geno mutacijos, lemiančios sunkią pavel­dimąją ligą - cistinę fibrozę. Pats CFTR genas yra labai didelis ir turi 27 egzonus, apimančius daugiau nei 6 000 nukleotidų porų, kurie koduoja 1 480 amino­rugščių polipeptidinę grandinę. Daugeliui sergančiųjų šia liga nustatoma 1 609 nukleotido pakaita C -> T, pakeičianti glutamo kodoną CAG stop kodonu TAG (1.14 pav.). Todėl baltymas, sintetinamas tokių pacientų organizme, yra sudary­tas tik iš 493 aminorugščių vietoj 1 480, taigi maždaug trigubai trumpesnis už normalų. Toks baltymas nebeatlieka savo funkcijos, todėl pasireiškia cistinė fibrozė, nuo kurios pacientas dažniausiai miršta dar vaikystėje Tyliosios taškinės mutacijos taip pat yra nukleotidų pakaitos. Joms vykstant dažniausiai pakeičiamas trečiasis kodono nukleotidas. Tačiau dėl to, kad genetinis kodas yra išsigimęs, koduojama polipeptidinės grandinės aminorūgštis lieka nepa­kitusi (žr. I dalies genetinio kodo lentelę 1.15 pav.). Pavyzdžiui, net trys GCA kodono trečiojo nukleotido pakaitos nepakeičia koduojamos aminorugšties alanino (1.15 pav.). 2) Skaitymo rėmelio poslinkio mutacijos žr. toliau 3) Geno promotoriaus mutacijos. Pagal nukleotidų sekos pokyčius šios mu­tacijos būna įvairios: kaip antai nukleotidų pakaitos, iškritos, intarpai. Tačiau jos keičia ne aminorūgščių seką baltymo molekulėje, bet geno veiklos reguliavimą, pakeisdamos nurašymo (tuo pačiu ir baltymo sintezės) intensyvumą. Promoto­riaus mutacijos dažniausiai silpnina jo sąveiką su RNR polimeraze. Dėl to sumažėja iRNR sintezė, taigi mažiau susintetinama ir galutinio jos produkto - baltymo.Be promotoriaus, mutacijos gali paveikti ir kitas už geno veikimą atsakingas DNR nukleotidų sekas (reguliavimo sekas, stiprintuvus, slopintuvus ir t. t.). 4) iRNR sukirpimo mutacijos. Tikslus pre-iRNR molekulės sukirpimas reikalingas normaliai geno raiškai, kadangi intronai turi būti iškerpami vie­no nukleotido tikslumu. Mutacijos šį procesą gali sutrikdyti. Kaip jau minėta I dalies 1.5 skyriuje, kritinės vietos iRNR sukirpimui išidėsčiusios tarp egzonų ir intronų: introno 5' gale - GT, o 3' gale - AG. Muta­cijų, pakeičiančių šias nukleotidų sekas, padariniai būna labai įvairūs: kaip antai „perskaitoma" introno nukleotidų seka (todėl atsiranda papildomos aminorūgštys polipeptide), o toje sekoje gali būti ir baigmės kodonas; iškerpamas gretimas egzonas ir dėl to polipeptidas praranda atitinkamas aminorūgštis ir t. t. Be to, tokios iRNR molekulės dažniausiai nėra stabilios ir ląstelėje labai greitai suardomos. Todėl veiklus baltymas nesintetinamas. Kartais mutacijos sukuria naujas iRNR sukirpimo vietas, ir iRNR sukerpa­ma netaisyklingai. Todėl baltyminis atitinkamo geno produktas būna nevi­savertis. Tokios mutacijos gana dažnos. Kartais dėl šių mutacijų baltymas įgyja naujas biologines funkcijas. Tai yra ne mažiau pavojinga nei visiškas veiklumo praradimas, ir dažniausiai lemia autosomines dominantiškai pa­veldimas ligas. 5) Pasikartojančiųjų trinukleotidų sekų išsiplėtimo mutacijos dar va­dinamos dinaminėmis mutacijomis. Geriausiai ištirtos tokio tipo mutacijos yra susijusios su sunkiomis žmonių neurodegeneracinėmis ligomis. 24 Skaitymo rėmelio poslinkio mutacijos ir jų padariniai Skaitymo rėmelis dažniausiai pasislenka dėl taškinių mutacijų. Tačiau ne dėl nukleotido pakaitos, bet dėl to, kad įvykus vieno ar kelių nukleotidų iškritai ar intarpui pasikeičia kodonų skaity­mo tvarka. Išnagrinėkime, kas atsitiks į geno nukleotidų seką įsiterpus vienam papildomam nukleotidui (1.16 pav., p. 101). Matyti, kad DNR nukleotidų sekos skaitymo rėmelis pasislenka atgal per vieną nukleotidą. Todėl pakinta visa to­lesnė šios DNR sekos koduojamo polipeptido aminorūgščių seka. Taigi baltymo savybės stipriai pasikeičia arba genas apskritai tampa neveiklus. įsiterpus dviem nukleotidams rėmelis pasislinks atgal per du nukleotidus, o padariniai bus tokie pat kaip ir įsiterpus vienam nukleotidui. Jei vienas ar keli nukleotidai ne įsiterpia į DNR nukleotidų seką, bet iškrenta išjos, skaitymo rėmelis pasislenka taip pat kaip ir intarpo atveju, tikį priešingą pusę (1.17 pav.). Dėl intarpo arba iškritos pasislinkus skaitymo rėmeliui naujoje kodonų sekoje dažnai susidaro naujas baigmės kodonas, ties kuriuo sustoja polipeptidinės gran­dinės sintezė. Tada imamas sintetinti trumpesnis polipeptidas (1.18 pav.). Taigi skaitymo rėmelio poslinkio mutacijų padariniai gali būti labai įvairūs. 25 Mutacijų tipai pagal fenotipo pokyčius Mutacijos skirstomos pagal tai, koks požymis - morfologinis, fiziologinis ar biocheminis - dėl jų pakito. Lengviausia pastebėti morfologinių mutacijų pasireiškimą. Tai skeleto ar kitų morfologinių savybių pokyčiai. Geriausiai žinomos tos morfologinės mutacijos, kurios kartų sekoje paveldimos kaip autosominis dominantinis požymis. Tokie žmogaus požymiai yra polidaktilija (vietoj normalaus pirštų skaičiaus yra vienu daugiau), achondroplazija (labai sutrumpėję galūnės - žr. 1.19 pav.) ir kt. Pagal jų (dažniausiai ligų) dažnį galima spręsti apie konkrečios populiacijos mutacijų dažnį. Tokios ligos, kaip jau minėta, yra autosomines ir paveldimos dominan­tiškai. Akivaizdu, kad kai kurios jų bus paveldėtos iš ankstesnių kartų. Tačiau naujų ligos atvejų šeimoje, kurioje anksčiau ja sergančiųjų nebuvo, priežastis yra nauja mutacija. Stebėdami populiaciją (antai Lietuvoje registruodami ir kasmet suskaičiuodami, kiek gimė naujagimių, sergančių autosominėmis dominantinėmis ligomis, kurių tėvai buvo sveiki ir kiek per tą laiką iš viso gimė naujagimių) galime įvertinti kasmetinį mutacijų dažnį ir spręsti, ar konkrečioje populiacijoje mutacijų daugėja, ar mažėja. Fiziologinės mutacijos labiau būdingos augalams. Tai gali būti paveldimi vegeta­cijos arba žydėjimo trukmės, apsivaisinimo, medžiagų transportavimo organizme pokyčiai. Antai gerai žinomas kukurūzų mutantas „tinginys", atsirandantis, kai su­trinka augalų augimo hormono heteroauksino pasiskirstymas. Tokių kukurūzų yra pakitusi geotropinė reakcija: jie šliaužia žemės paviršiumi, o ne auga vertikaliai. Biocheminės mutacijos. G. Bydlis ir E. Teitumas pirmieji pasiūlė taikyti bio­cheminius mutantus biocheminiams organizmo procesams tirti. Pirmiausia tai buvo atlikta su vaisinių muselių mutantais, kurių akys šviesiai raudonos, kadangi dėl mutacijos yra blokuojama rudo pigmento sintezė. 26 DNR pažaidų reparacijos sistemų genų mutacijos Genų mutacijų (ir kai kurių chromosomų mutacijų) atsiradimo priežastis yra DNR pažaidos. Mutacijų dėl DNR molekulės pažaidų atsiradimas yra sudėtin­gas procesas. Pati DNR pažaida yra dar ne mutacija, tik potenciali prielaida mutacijai susiformuoti. Taigi DNR pažaidos, kurios gali tapti mutacijomis, vadi­namos potencialiomis. Jų virtimas mutacija gali trukti kelis ląstelės ciklus. Potencialios DNR pažaidos tampa mutacijomis dvigubėjant DNR, vykstant re­kombinacijai, pažaidų ištaisymui ir vadinamajai reparacijai. 27 DNR pažaidų reparacija. Jos pagrindiniai mechanizmai DNR pažaidos gali būti labai įvairios: cheminiai bazių pokyčiai, bazės praradi­mas, gretimų pirimidinų (dažniausiai T) sukibimas, netinkamo nukleotido įterpimas į komplimentariąją (papildančiąją) grandinę per DNR sintezę, vienos ir abiejų DNR molekulės grandinių trūkiai. Dauguma organizmų turi pakankamai sistemų įvairioms DNR pažaidoms pašalinti, t. y. reparacijos sistemų. Be to, šios sistemos dirba taip, kad, jei pro vieną jų pažaidai pavyko „prasmukti" neištaisytai, ją aptikti ir ištaisyti turėtų kita sistema.Paprasčiausias būdas pašalinti DNR pažaidą yra atstatyti vieno ar daugiau pakitu­sių nukleotidų pirminį pavidalą. Tai dažniausiai atliekama iškerpant pažeistas purinų ar pirimidinų bazes. Akivaizdu, kad šis procesas nėra paprastas. Iš pradžių pažaida turi būti atpažinta, vėliau pašalinta, o DNR grandinės dalis, kurioje buvo pažaida, suardyta. Pagal išlikusį sveiką papildantįjį DNR fragmentą vyksta papildoma (t. y. nesusijusi su DNR dvigubėjimu) DNR sintezė. Jai vykstant suardyta DNR grandinė atstatoma be pažaidų. Per paskutinįjį etapą susidarę DNR grandinės trūkiai pašali­nami, t. y. naujas susintetintas DNR grandinės segmentas sujungiamas su visa DNR grandine. Visą šį procesą atlieka sudėtingas reparacinis kompleksas. Žinomi įvairūs DNR reparacijos būdai. Šiame procese dalyvaujančiame reparaciniame komplekse svarbiausią vaidmenį atlieka skirtingi fermentai, kurių sintezę kontroliuoja įvairūs nealeliniai genai. DNR pažaidų reparacijos sistemos tokios galingos, kad pažaidų - taigi ir mutacijų -iš viso neturėtų likti. Deja, taip nėra. Tyrimais nustatyta, kad kai kurių pažaidų išliki­mas yra genetiškai užprogramuotas. O kai kurie reparacijos tipai specialiai daro klaidas, ir DNR pažaidos ištaisomos tik tiek, kad nesutriktų organizmo gyvybingumas. Taip galiausiai susiformuoja mutacija. 28 Mutacijų atsiradimo dažnumas ir priežastys Natūraliomis sąlygomis pavienio geno mutacijos įvyksta labai retai: jos susi­formavimo per vieną ląstelės dalijimąsi tikimybė tesiekia 1,5x10_6-1,5 x 108. Tačiau organizmo genomas turi keliasdešimt tūkstančių genų, o ląstelių daž­niausiai kur kas daugiau. Todėl bendras organizme įvykstančių mutacijų skai­čius tikrai nemažas. Antra vertus, organizmo palikuonims perduodamos tik mutacijos, įvykusios ląstelėse, iš kurių formuojasi gametos. Be to, dažniausiai tik labai maža dalis susiformavusių organizmo gametų dalyvauja formuojantis naujoms zigotoms ir perduoda joms savo genus (taigi ir juose jau esančias paveldė­tas, ir naujai įvykusias mutacijas). Nustatyta, kad apie 5 % visų vaisinės muselės gametų turi kokią nors mutaciją, o kiekvienas žmogus yra net arti 10-ties mutavusių genų (lemiančių sunkią recesyviai paveldimą ligą) nešiotojas. Be abejo, kiekviena mutacija turi savo priežastį. Tačiau konkrečiu atveju šios priežastys dažniausiai lieka nežinomos. Mutacijų atsiradimo procesas vadina­mas mutageneze. Pagal tai, kaip vyksta mutagenezė (natūraliai, be aktyvaus žmogaus įsikišimo ar žmogaus sąmoningai sukeliama), mutacijas galima skirstyti į gamtines ir dirbtines. Ir vienos, ir kitos dažniausiai atsiranda dėl tų pačių mutagenų poveikio. Mutagenais vadinami veiksniai, sukeliantys mutacijas. Dažniausiai tai jonizuojančioji spinduliuote, kiti fiziniai veiksniai (pvz., aukšta temperatūra), įvairios cheminės medžiagos, virusai, bakterijos. Mutagenai vei­kia organizmą bet kuriuo jo raidos momentu - pradedant gameta ir baigiant suaugusiu organizmu. Mutageninį jonizuojančiosios spinduliuotės poveikį 1927-aisiais įrodė JAV genetikas H. J. Maleris. Mutacijas sukelia visų rūšių jonizuojančioji spindu­liuote (Rentgeno spinduliai, y spinduliai, neutronai, a ir |3 dalelės). Ji gali sukelti ir paveldimuosius, ir nepaveldimuosius organizmo pokyčius. Nepa-veldimųjų pakitimų dėl jonizuojančiosios spinduliuotės poveikio pavyzdžiai yra pupų ir žirnių margalapiškumas, varpinių javų stiebų šakojimasis ir pan. Jonizuojančioji spinduliuote taip pat sukelia žmonių spindulinę ligą, kuri išsi­vysto dėl nepaveldimųjų ir paveldimųjų pokyčių. Jonizuojančiosios spindu­liuotės poveikis akivaizdžiausiai pasireiškė po atominių bombų sprogimų virš Japonijos miestų Hirosimos ir Nagasakio 1945-ųjų rugpjūčio mėnesį ir 1986-ųjų balandį įvykus Černobylio (Ukraina) atominės elektrinės avarijai, kurios sukeltas aplinkos radiacinis užterštumas daugelį kartų viršijo sukeltąjį sprogus atominėms bomboms Hirosimoje ir Nagasakyje. Japonijoje dar ir dabar žmonės miršta dėl atominių sprogimų spinduliuotės poveikio, o Černo­bylio elektrinės avarijos sukeltas aplinkos radiacinis užterštumas turės įtakos dar daugelio žmonių kartų sveikatai ne tik Ukrainoje. Reikia skirti bendrąjį ir mutageninj jonizuojančiosios spinduliuotės po­veikį organizmui. Mažos jonizuojančiųjų spindulių dozės organizmą veikia stimuliuojamai. Ilgesnis jų poveikis netgi padidina organizmų atsparumą šiai spinduliuotei. Didelės dozės pažeidžia įvairias organizmo sistemas. Kuo didesnė dozė - tuo didesni pažeidimai. Tačiau jei spinduliuotės dozė pada­lijama į dalis su pertraukomis tarp jų, žalingas poveikis būna kur kas mažesnis. Mutageninis jonizuojančiosios spinduliuotės poveikis tiesiog proporcingas jų dozei ir neturi slenksčio: mutacijos priežastis gali būti net vienintelis kvantas. Mutageninis jonizuojančiosios spinduliuotės poveikis įvairus ir dažnai suke­lia skirtingus chromosomų pokyčius: pavienės chromosomos gali sulipti, sutrūkinėti, gali įvykti ląstelių poliploidizacija ir t. t. Be to, gali įvykti ir įvairios taškinės genų mutacijos. Tyrimais įrodyta, kad veikiant jonizuojančiąja spin­duliuote galima gauti organizmus (mutantus), kurie turi žmogui naudingų savybių. Todėl jonizuojančioji spinduliuote buvo plačiai taikoma selekcijai išve­dant naujas kviečių veisles ir mikroorganizmus, gaminančius antibiotikus. Dabar šie metodai pakeisti naujais genų technologijos metodais, kurie kur kas veiksmingesni ir saugesni. 29 Cheminė mutagenezė. Aplinkos mutagenai 1932-1934-aisiais buvo įrodyta, kad vaisinių muselių mutacijas galima sukelti ir cheminėmis medžiagomis: jodu, sunkiųjų metalų druskomis, amo­niaku, metilchlorantrenu. Tačiau cheminių medžiagų mutageniškumas buvo pripažintas tik 1943-1948-aisiais, atradus ypač mutageniškus junginius, pavadintus supermutagenais. Šiuo metu jau yra žinoma dešimtys tūkstančių cheminių mutagenų, kurie tipologizuojami pagal cheminį ir bio­loginį poveikį. Pagrindinės cheminių mutagenų grupės: 1. Alkilinančios medžiagos (t. y. medžiagos, prijungiančios alkilo grupes prie organinių medžiagų molekulių). Tai patys stipriausi mutagenai (supermutagenai). 2. Peroksidai, susidarantys organizme vykstant medžiagų apykaitai. 3. Antimetabolitai, tarp jų - purino ir pirimidino bazių analogai (kofeinas, teofilinas, 2-aminopurinas ir t. t.). 4. Alkaloidai ir glikozidai. 5. Akridinai. 6. Hidroksilaminai. 7. Sunkiųjų metalų druskos. 8. Aldehidai. 9. Pesticidai ir t. t. Cheminiams mutagenams, kaip ir jonizuojančiąjai spinduliuotei, būdingas stimuliuojantis mažų koncentracijų poveikis, maksimumo reiškinys (pasie­kus tam tikrą poveikio maksimumą toliau didinant dozę mutacijų skaičius nebedidėja), padidėjęs atsparumas mutagenui organizmą ilgą laiką veikiant mažomis jo dozėmis, didelis įvairių cheminių junginių specifiškumas, pri­klausomybė nuo įvairių aplinkos ir vidinių veiksnių ir kt. Kaip ir jonizuojančioji spinduliuote, cheminiai mutagenai genetinę me­džiagą gali veikti tiesiogiai ir netiesiogiai. Tiek jonizuojančiosios spinduliuotės, tiek ir cheminių junginių mutageninis poveikis buvo įrodytas eksperimentais paveikiant įvairius organizmus mutagenų ir gaunant konkrečias įvairių tipų mutacijas. Visus organizmus, tarp jų ir žmogų, nuolat veikia aplinka, kurioje gausu įvairių mutagenų (pradedant jonizuojančiąja saulės spinduliuote ir baigiant vaistais bei kai kuriais maisto priedais). Be to, gamtinėmis sąlygomis pasi­reiškia ir silpni mutagenai. Tai įvairūs medžiagų apykaitos produktai, susi­kaupę organizme neįprastais kiekiais. Žmogų ir kitus organizmus pastoviai veikia natūralusis fonas, atsirandantis dėl saulės spinduliuotės, dėl atominio ginklo bandymų atmosferoje, atominių elektrinių avarijų ir kt. Organizmams, kurių gyvenimo trukmė trumpa, silpnas natūralusis fonas daug mutacijų nespėja sukelti. Tačiau organizmai, gyvuojantys 1 000 ir daugiau metų (pvz., mamutmedžiai arba sekvojos), per savo gyvavimo laikotarpį gauna palyginti didelę dozę.Buvo pastebėta, kad gamtinių mutacijų dažnumas taip pat didėja organiz­mui senstant. Genetikų uždavinys yra išaiškinti aplinkos mutagenus ir pasiūlyti priemones, kaip nuo jų apsisaugoti, t. y. apsaugoti žmogaus bei kitų organizmų genų fondą. Gamtinį genetinį kintamumą daugiausia ir lemia gamtiniai mutagenai, kurie buvo aptarti I dalies 1.2 skyriuje. Kita aplinkos mutagenų grupė yra dirbtiniai mutagenai, nebūdingi organizmui. Plėtojant pramonę, naudojant naftos produktus ir akmens anglį energijai gaminti, žemės ūkyje naudojant mineralines trąšas ir įvairias chemines medžiagas kovai su kenkėjais bei piktžo­lėmis, ligų gydymui taikant naujus susintetintus vaistus, buityje - sintetinius skalbiklius, valiklius ir t. t., į aplinką patenka vis daugiau teršalų, kurių daugelis turi toksinių, mutageninių ar teratogeninių savybių. Įvairių cheminių medžiagų mutageniškumą tiria mokslo šaka genotoksikologija. Aplinkos mutagenai gali būti lokalūs arba globalūs. Lokalūs mutagenai yra paplitę tik konkrečioje vietoje arba atskiroje populiacijoje. Globalūs mutagenai paplitę po visą Žemę. Pavyzdžiui, atmosferoje išbandžius atominį ginklą arba įvykus atominės elektrinės katastrofai, radioaktyvus lietus iškrinta net už tūkstan­čių kilometrų nuo sprogimo vietos. Daugelis atmosferos teršalų ardo Žemę gaubiantį ozono sluoksnį, apsau­gantį nuo mutageniškųjų ultravioletinių Saulės spindulių. Taigi jei nebus imtasi priemonių, gresia globalinė katastrofa. Aplinkos mutagenai gali kauptis organizme. Ypač linkę kauptis tie mutage­nai, kurie organizmo neperdirbami į nekenksmingus junginius. Tai sunkiųjų metalų jonai, daugelis pesticidų. Antai heksachloranas lieka pavojingas net perėjęs kelis organizmus. Jis per bulvių gumbus ar pašarines žoles patenka į gyvulių organizmą, o per jų mėsą ar pieno produktus - ir į mūsų organizmus. Šios medžiagos ilgainiui kaupiasi organizme ir gali sudaryti mutageniškai pa­vojingą dozę. Tokio pobūdžio mutagenai ypač pavojingi. Mutageniškumas ga­li būti specifinis tam tikrai organizmų rūšiai, t. y. konkreti medžiaga vienos rūšies gyvūnams yra mutagenas, o kitoms - ne. Todėl spręsti, kas žmogui gali būti mutageniškai pavojinga, o kas nepavojinga, vadovaujantis tik kitų gyvūnų tyrimais, nėra paprasta. Yra kuriamos vadinamosios testo sistemos įvairių che­minių medžiagų mutageniškumui tirti. Tačiau jos nėra tobulos ir ne visada parodo realų tų medžiagų poveikį ir pavojų, gresiantį žmogui. Pastebėtina, kad net ir nemutageniškos medžiagos vykstant organizmo medžiagų apykaitai gali tapti mutageniniais produktais. Tai vadinamieji netiesioginiai mutagenai. Be to, būtina atsižvelgti į sinerginį1, jautri­nantį ir komutageninį aplinkos mutagenų poveikį. Sinerginis poveikis gali pasireikšti tuo pačiu metu veikiant dviem ir dau­giau mutagenų, kai jų bendras poveikis yra didesnis nei atskirų mutagenų poveikių suma. Akivaizdu, kad aplinkoje yra daug įvairių mutagenų, ir dau­gelis jų veikia organizmą būtent tuo pat metu. Esama duomenų, kad nuo kurio nors nemutageninio veiksnio organizmas gali pasidaryti jautresnis tam tikram mutagenui. Taigi mutageno poveikis gerokai padidėja. Antai kepant mėsą, o ypač jai apdegus, iš aminorugšties triptofano susidaro įvairūs mutageniniai junginiai, tarp jų ir norgarmanas, ku­ris pats nebūdamas mutagenas net 40 kartų padidina kancerogeno 4-dimeti-laminobenzolio mutageniškumą. Tai jautrinantis poveikis. Kartais pavienės cheminės medžiagos mutageniškumu nepasižymi, tačiau pa­naudotos kartu tampa mutagenais. Tai komutageniškumas.Taigi labai svarbu nuodugniai ištirti įvairių cheminių medžiagų (ypač naujai susintetintų) poveikį žmogui, nes visuomet esama pavojaus, kad dėl jautrinan­čio arba komutageninio efekto nemutageninės medžiagos gali virsti stipriais mutagenais. Deja, tai nustatyti nėra paprasta. Kiekvieno žmogaus pareiga stengtis, kad jo aplinkoje būtų kuo mažiau mutageninių medžiagų, ir vengti galimų kontaktų su mutageniniais veiksniais. Šiek tiek niūroką vaizdą praskaidrina tai, kad 1949-aisiais buvo atrastos me­džiagos, slopinančios mutagenų poveikį. Jos buvo pavadintos antimutagenais. Taigi nors mutagenų poveikio organizmui visiškai išvengti, matyt, nepavyks nie­kada, jį galima sušvelninti taikant antimutagenus. Organizme taip pat esama specifinių antimutagenų. Universalus antimutagenas yra gliutationas. Jo paskir­tis ląstelėje yra sujungti bei inaktyvinti organizmui svetimas ir kenksmingas me­džiagas. Joms sąveikaujant su gliutationu susidaro merkapturinė rūgštis, kuri iš žinduolių organizmo pašalinama su šlapimu. 30 Reakcijos norma ir statistiniai modifikacinio kintamumo dėsningumai Organizmo fenotipą pagrindžia jo genotipo bei aplinkos sąveika. Organiz­mo genų ir genotipo raiška iš esmės priklauso nuo aplinkos sąlygų. Kintamumo forma, susijusi su fenotipo pokyčiu, vadinama modifikaciniu kintamumu, o modifikacijos yra nepaveldimieji organizmo organų, požymių ir savybių po­kyčiai dėl aplinkos poveikio. Tačiau kaip ir paveldimąjį kintamumą, modifi­kacijas taip pat lemia genotipas. Įvairių požymių modifikacinio kintamumo ribos esant skirtingoms sąly­goms gali įvairuoti. Požymio modifikacinio kintamumo ribos vadinamos šio požymio reakcijos norma. Vienų požymių reakcijos norma yra labai plati, kitų - daug siauresnė. Antai karvės pieningumas tiesiogiai priklauso ne tik nuo jos konkretaus genotipo, bet ir nuo šėrimo bei priežiūros. Pieningumą galima gerokai padidinti parenkant reikiamą geros kokybės pašarų kiekį. Įsidėmėtina tai, kad organizmo modifikacinis kintamumas fiksuojamas būtent tam tikro požymio, kurį lemia tas pats genotipas, atžvilgiu (skirtin­gai šeriamos vienodo genotipo karvės duos skirtingą pieno kiekį). Mažesnis kintamumas būdingas pieno riebumui. Jis labiau priklauso nuo karvių veislės, t. y. nuo genotipo šio požymio atžvilgiu. Keičiant pašarų racioną pieno riebumas kinta nedaug. Skirtingų rūšių organizmų modifikacinio kintamumo atsakas į tą patį ap­linkos veiksnį gali įvairuoti. Pavyzdžiui, I dalies 3.4.1 skyriuje jau minėta, kad Himalajų triušio ląstelės žemoje temperatūroje pradeda sintetinti me­laniną, tamsinantį kailį. O kai kurių kitų gyvūnų (baltojo kiškio, šermuonėlio ir kt.) ląstelėse esant žemai temperatūrai melanino sintezė slopinama, kad žiemą kailis būtų baltas ir nepastebimas ant sniego. Kai kada net to paties organizmo skirtingos dalys skirtingomis sąlygomis labai pakinta (pvz., vėdrynų ir papliauškų lapai po vandeniu būna visai kitokie nei augantys virš vandens). Modifikacijos dažniausiai būna trumpalaikės ir pasireiškia toje kartoje, kurioje veikia jas sukeliantis veiksnys. Jei kitose kartose jis nebeveikia, mo­difikacija išnyksta. Tačiau žinomos ir ilgalaikės modifikacijos, išliekančios kitoje kartoje, o kartais net keliose kartose. Antai labai palankiomis sąlygo­mis augančių augalų derlius bus geras ne tik tais pačiais metais, bet ir kitąmet, nes augalai, išaugę iš palankiomis sąlygomis brandintų augalų sėklų, bus derlingesni už išaugusius iš sėklų, subrandintų prastesnėmis sąly­gomis. Taip yra todėl, kad palankiomis sąlygomis brandintų augalų sėklos būna stambesnės, jose sukaupta daugiau naudingų medžiagų. Tą patį galima pasakyti ir apie žmones. Daugelį jų požymių (ūgį, inte­lektą, odos spalvą ir kt.) lemia poligenai (žr. I dalies 3.4.1 skyrių). Tačiau šių požymių raiška priklauso ir nuo aplinkos sąlygų: esant tam pačiam ge­notipui, bet skirtingoms aplinkos sąlygoms susiformuos skirtingi fenotipai. Kiekvieno požymio modifikacinio kintamumo ribos yra skirtingos (skirtinga reakcijos norma). Šia prasme paveldimas ne pats požymis, bet organizmo (tiksliau, jo genotipo) gebėjimas sąveikaujant su raidos sąlygomis sukurti tam tikrą fenotipą. Taigi konkretaus genotipo individas gali įgyti tik tam tikras požymio reikšmes, kurios (priklausomai nuo aplinkos sąlygų) gali svy­ruoti tam tikrose ribose. Genotipas apibrėžia ribas, o aplinka lemia konkre­čią požymio reikšmę. Plati reakcijos norma natūraliomis sąlygomis gali būti svarbi biologinės rūšies išlikimui ir suklestėjimui. Nuskinkime nuo vieno medžio visus lapus ir išmatuokime jų ilgį. Pamatysi­me, kad lapų ilgio įvairavimo ribos gana plačios. Šių lapų genotipas vienodas (visi jie to paties augalo), tačiau skiriasi sąlygos, kuriomis jie augo ant skirtingų šakų. Nuskintus lapus išdėlioję pagal ilgį nuo mažiausio iki didžiausio arba atvirkščiai, gautume šio požymio kintamumo eilę, vadinamą variacine eile, nes ją sudaro atskiri variantai. Taigi variantas yra požymio raidos pasireiškimo vienetas. Suskaičiavus, kiek buvo įvairių ilgių lapų, pastebėsime, kad jie pasi­skirstę nevienodai: vieno ilgio lapų bus daugiau, kito - mažiau. Dažniausi bus vidutinio ilgio lapai, t. y. viduriniai variacinės eilės nariai, o abu kraštutiniai nariai (ilgiausi ir trumpiausi lapai) bus rečiausi. Išnagrinėkime kitą variacinio kintamumo pavyzdį - kviečių varpos varpelių skaičiaus kitimą atskirose varpose. Tyrimams imkime genetiškai vienodus gry­naveislius augalus. Tarkime, kad šios veislės varpelių skaičius varpose svyruoja nuo 14 iki 20. Toliau įvertinkime, kaip dažnai pasikartoja atskiri variacinės eilės variantai. Atsitiktiniu būdu surinkime 1 000 varpų ir nustatykime, po kiek var­pelių yra kiekvienoje jų. Tarkime, kad dažniausios buvo varpos, turinčios po 16-18 varpelių. Varpos, turinčios daugiau kaip 18 arba mažiau kaip 16 varpe­lių, buvo retesnės. Jos pasiskirstė taip: Sudėję apatinės eilutės skaičius gausime 1 000. Tai atitinka stebėjimų (analizuo­jamų varpų) skaičių. Šių variantų pasiskirstymą galima pateikti grafiškai (2.1 pav.). Požymio kintamumo grafinė išraiška, atspindinti ir variacijos užmojį, ir atskirų va­riantų pasikartojimo dažnį, vadinama variacine kreive. Jeigu bandymų būtų atlikta daugiau, kreivė vis labiau artėtų prie varpo formos, t. y. šis pasiskirstymas iš matematikos kurso žinomas kaip minėtasis normalusis pasiskirstymas, t. y. pasiskirstymas pagal Gauso dėsnį. Kuo vienodesnės raidos sąlygos, tuo silpniau išreikštas modifikacinis kinta-mumas ir tuo trumpesnė variacine eilė. Ir atvirkščiai, kuo aplinkos sąlygos įvairesnės, tuo platesnis modifikacinis kintamumas. Norint objektyviai įvertinti kintamąjį požymį, nepakanka ištirti vieną arba kelis individus. Tik ištyrus didelį skaičių individų galima nubrėžti variacine kreivę Remiantis variacinės eilės duomenimis, galima nustatyti požymio vidutinį dydį ne tik iš variacinės kreivės, bet ir taikant formulę M yra vidutinis dydis; v. - i-tasis variantas; p - i-tojo varianto pasikartojimų skaičius; n - bendras variacinės eilės narių skaičius;  - sandaugų pagal kiek­vieną variantą suma. 31 Teratologiniai reiškiniai Modifikacijos dažniausiai yra atitinkantys aplinkos poveikį prisitaikomojo pobūdžio pakitimai reakcijos normos ribose.Būna ir kitokio pobūdžio modifikacijų. Gali gimti individai su dviem galvo­mis, penkiomis galūnėmis vietoj keturių ir t. t. Tai teratologiniai reiškiniai. Jie dar vadinami įgimtosiomis raidos anomalijomis, nes pastarosios susi­formuoja embriono ar vaisiaus stadijoje, ir naujagimis gimsta jau.turėdamas vieną ar kitą anomaliją. Šias anomalijas tiesiogiai arba netiesiogiai sąlygoja teratogenai. Tai veiksniai, galintys sukelti pastovius organizmo struktūros ar funkcijos pokyčius per embriogenezę arba vaisiaus raidos laikotarpiu. Teratogeninis poveikis būdingas įvairiems aplinkos veiksniams. Kaip antai kai kuriems vaistams, narkotikams, kitoms cheminėms medžiagoms. Tokį poveikį gali sukelti ir kenksmingos darbo sąlygos. Teratogenai pavojingiausi kritiniais embriogenezės arba vaisiaus raidos periodais. Būtent tuo jie ir skiriasi nuo mutageninio poveikio. Mutagenai sukelia atskiros lytinės arba somatinės ląstelės mutaciją. Teratogenai mu­tacijų nesukelia, tačiau sutrikdo embriono (tai jau organizmas) ar vaisiaus normalią raidą. Žinoma, kai gimęs kūdikis turi kokią nors raidos anomaliją, jo šeimai visai nebesvarbu, ar jos priežastis yra mutageninis, ar teratogeninis poveikis. Tačiau šiais dviem atvejais visiškai skirtinga tos anomalijos pasikartojimo šeimoje prognozė. Antra vertus, dera atsižvelgti į tai, kad teratogeninis poveikis formuojasi konkretaus genotipo fone. Žmogaus embrionas jautriausias teratogenų poveikiui nuo antrosios iki dešimtosios nėštumo savaitės. Šiuo laikotarpiu formuojasi daugelis organų ir organizmo struktūrų. Kiekviena žmogaus organizmo struktūra ar orga­nas turi savo jautriausią (kritinį) teratogenų poveikiui periodą (žr. 2.2 pav. p. 113) 32 Žmogaus embriono įvairių organų ir sistemų formavimosi periodai, kritiniai teratogenų poveikiui Manoma, kad per pirmąsias dvi savaites po apvaisinimo teratogenų poveikis vaisiaus raidai yra „viskas arba nieko": jų sukeltas pokytis arba visiškai ištaiso­mas, arba lemia embriono žuvimą. Po dešimtosios nėštumo savaitės, kai daugelis embriono struktūrų jau susiformavę, teratogenų poveikis mažiau pavojingas. Tačiau dėl jo gali sumažėti vaisiaus kūno masė, susiformuoti centrinės nervų sistemos anomalijos. Dažniausiai teratogeninio poveikio pa­darinys yra dauginės raidos anomalijos, t. y. vaikui gimus nustatomas ne vienas izoliuotas apsigimimas, bet daug ir įvairių apsigimimų. Eksperimentuojant su gyvūnais įrodyta, kad jautrumą teratogeniniams veiksniams gali lemti individo genotipas (ir motinos, ir embriono arba vai­siaus). Maždaug 10 % visų įgimtųjų naujagimių raidos anomalijų yra teratogeninio poveikio padariniai. 1958-1962-aisiais Vakarų Europoje buvo populiarūs raminamieji vaistai talidomidas. Šituos vaistus ypač pamėgo nėščiosios, nes jį vartodamos pa­sijusdavo daug geriau. 1961-aisiai buvo įrodytas ryšys tarp talidomido var­tojimo nėštumo pradžioje ir naujagimių galūnių anomalijų (2.3 pav.). Per šį trumpą laikotarpį gimė daugiau nei 10 000 kūdikių su vadinamosiomis talidomidinėmis embriopatijomis. Talidomidinei embriopatijai būdinga tai, kad galūnės neturi ilgųjų kaulų (galūnės panašios į pelekus), nustatomos įvairios širdies, ausų, inkstų, virškinamojo trakto anomalijos, gomurio nesuaugimas. Apie 40 % tokių vaikų miršta dar kūdikystėje. Kiti - sunkūs invalidai - integruojasi į visuomenę ir patys sprendžia savas problemas. Detaliai išsiaiškinus, kada ir kaip šis vaistas buvo vartojamas, paaiškėjo, kad jo poveikiui kritinis embriono periodas yra nuo 20-osios iki 35-osios dienos po apvaisinimo.Nenuostabu, kad po tokios katastrofos su talidomidu imta labiau domėtis teratogeniniais veiksniais. Šiuo metu skiriamos keturios pagrindinės teratogeninių veiksnių grupės: 1) vaistai ir cheminės medžiagos, vartotos per nėštumą; 2) motinos infekcijos per nėštumą; 3) fizinių veiksnių poveikis nėščiajai; 4) lėtinės motinos ligos. Visas teratogeninių veiksnių sąrašas turėtų būti labai ilgas. Be to, jis nuolat papildomas. Tokius sąrašus galima rasti specialiuose žinynuose. Pateiktieji pavyzdžiai tik paliudija, kad motinos (o kartais ir tėvo) kontak­tas su teratogenais iki vaisiaus užuomazgos (dažnai ir vaisiaus raidos lai­kotarpiu) gali būti sunkių įgimtųjų vaiko raidos anomalijų priežastis. Taip pat svarbu suprasti, kad teratogenai ypač pavojingi nėščiajai kritiniais (jautriaisiais) embriogenezės ar vaisiaus raidos laikotarpiais (2.2 pav.). 33 Tikrai teratogeniniai veiksniai Taigi nepagrįstas vaistų vartojimas, piktnaudžiavimas alkoholiu ar narkotikais, kontaktas su buityje naudojamomis ar kitomis cheminėmis medžiagomis, turinčiomis teratogeniškumo požymių, jonizuojančiosios spinduliuotės po­veikis, kai kurios infekcinės ir lėtinės motinos ligos ypač pavojingos ir nepa­geidaujamos nėštumo laikotarpiu, o kritiniais embriono ir vaisiaus raidos laikotarpiais - juo labiau. Jei tokio kontakto išvengti nepavyksta, geriausia pasikonsultuoti su gydytoju genetiku. 34 Nauji genetinio kintamumo šaltiniai Dar visai neseniai net neįmanoma buvo įsivaizduoti, kad ateis diena, kai galėsime ne tik analizuoti įvairių organizmų (tarp jų ir žmogaus) genus, bet ir manipuliuoti jais. Šioje srityje daugiausia nuveikė biotechnologijos ir genų tech­nologijos mokslas. Genų technologija yra pagrįsta manipuliacijomis su DNR už gyvos ląstelės ribų (t. y. in vitro). Šiuolaikiniai genų technologijos metodai leidžia kurti naujus genetinio kintamumo variantus laboratorijos sąlygomis ir gauti norimo genotipo bei fenotipo organizmus perkeliant kito organizmo ge­ną arba modifikuojant (pakeičiant) tam tikrus paties organizmo genus. Genų technologijos metodų taikymas sudarė galimybes 2000-aisiais iššifruoti visą žmogaus genomą ir pradėti kurti naujus įvairių paveldimųjų ligų gydymo būdus, pagrįstus manipuliacijomis su sergančio asmens DNR (t. y. genų terapijos me­todus). Kokie yra svarbiausi ir esmingiausi rekombinantinės DNR technologijos etapai bei priemonės, leidusios dirbtinai sukurti naujus genetinio kintamumo objektus? Tai: 1) restrikcijos endonukleazių (fermentų, kartais dar vadinamų restriktazėmis) atradimas; 2) DNR vektorių sukūrimas; 3) polimerazinės grandininės reakcijos (PGR) atradimas ir automatizavi­mas. Be to, genų technologijai labai svarbi oligonukleotidų cheminė sintezė, įgali­nanti susintetinti bet kurios norimos nukleotidų sekos DNR fragmentus (pvz., PGR pradmenis, geno fragmentus ir pan.). Taikant genų technologijos metodus su daugelio organizmų DNR molekulėmis vykdomos įvairios manipuliacijos. Genetinė medžiaga (genai) gali būti perkelta iš vienų organizmų DNR molekulių į kitų organizmų DNR molekules. Iš dviejų skirtingų DNR molekulių sukonstruotos naujos molekulės vadina­mos rekombinantinėmis DNR. Pagrindinės rekombinantinės DNR taikymo sritys pavaizduotos 3.1 paveiksle. 35 Rekombinantinės DNR molekulės konstravimas. Restrikcijos endonukleazės. Jų tipai ir veikimo principai Rekombinantinei DNR molekulei sukurti (žr. schemą 3.2 pav. p. 117) reikia: 1) DNR molekulės (viso geno, geno dalies arba kito reikiamo DNR fragmen­to), kurią norima perkelti į konkretų organizmą; 2) vektoriaus, t. y. priemonės svetimai DNR molekulei įterpti į kito organizmo-recipiento ląstelę; 3) restrikcijos endonukleazių, kurios sukarpo svetimą DNR molekulę į tam tikrus fragmentus ir perkerpa vektoriaus molekulę; 4) fermento DNR ligazės (su šiuo fermentu jau susidūrėte, nagrinėdami DNR dvigubėjimą ir rekombinaciją vykstant mejozei), kuris svetimos DNR fragmen­tą ir vektoriaus DNR sujungia į rekombinantinės DNR molekulę. Tokios naujos DNR molekulės įterpiamos į recipiento ląsteles, kuriose jos: a) pagausinamos, ir vėl išskiriamos bei naudojamos toliau; b) suteikia recipientui naujų savybių, nes ima veikti į rekombinantinės DNR mole­kulę implantuotas svetimas genas. Išnagrinėkime svarbiausius rekombinantinės DNR kūrimo schemos elementus Apie 1970-uosius bakterijose buvo atrasti fermentai, perkerpantys abi dvigrandės DNR molekulės grandines tik tam tikrose vietose. Jie buvo pavadinti restrikcijos endonukleazėmis, nes buvo nustatyta, kad jie riboja virusų (bakteriofagų) dauginimąsi kai kuriuose bakterijų štamuose. Svarbiausia genų technologijai yra tai, kad restrikcijos endonukleazės gali atpažinti tam tikras DNR nukleotidų sekas (dažniausiai - 4 arba 6 nukleotidų ilgio) ir būtent toje vietoje tiksliai perkirpti abi DNR grandines (3.3 pav.). Daugumai nukleotidų sekų, vadinamųjų palindromų, kuriuos atpažįsta re­strikcijos endonukleazės, būdinga tam tikra simetrija. Palindromu iš pradžių buvo vadinami žodžiai arba ištisos frazės, kurias galima skaityti abiem kryptimis. Lietuvių kalboje palindromų rasti nelengva, tačiau pabandykite taip perskaityti vardą „ANA", daiktavardį „SŪNŪS" arba nelabai sklandžią frazę „SĖDĖK UŽU KĖDĖS". O kaip atro­do DNR palindromas? Jis taip pat skaitomas abiem kryptimis, tik skirtingose DNR grandinėse. Pavyzdžiui, restrikcijos endonukleazė EcoRI atpažįsta 6 nukleotidų seką 5'-GAATTC-3' 3'-CTTAAG-5' (3.3 pav.). Nesunku pastebėti, kad vieną grandinę skaitant 5' -> 3' kryptimi, o kitą -3' 3' kryptimi, tarkime, nuo taško A iki taško B, abiejų atitinkamo DNR fragmento sintezei reikalingi du pradmenys. Taigi veikia apie 20 nukleotidų ilgio oligonukleotidai, kurių nukleotidų sekos yra papildančiosios DNR taikinio (t. y. tos DNR molekulės dalies, kurią norime pagausinti) galams. Vienas pradmuo pažymi sin­tezės pradžią A 5' -> 3' grandinėje, o kitas - B 3'

Daugiau informacijos...

★ Klientai rekomenduoja

Šį rašto darbą rekomenduoja mūsų klientai. Ką tai reiškia?

Mūsų svetainėje pateikiama dešimtys tūkstančių skirtingų rašto darbų, kuriuos įkėlė daugybė moksleivių ir studentų su skirtingais gabumais. Būtent šis rašto darbas yra patikrintas specialistų ir rekomenduojamas kitų klientų, kurie po atsisiuntimo įvertino šį mokslo darbą teigiamai. Todėl galite būti tikri, kad šis pasirinkimas geriausias!