Az egygénes öröklődés kromoszómális háttere

Általános Genetika

Az egygénes öröklődés kromoszómális háttere

A MITÓZIS és MEIÓZIS

eseményei genetikai szemszögből

„Az apai és az anyai eredetű kromoszómák párokba rendeződése, majd azt követő szétválása a redukciós osztódás folyamán alkothatja az öröklődés mendeli törvényeinek fizikai alapját”

Walter Sutton 1902 - 1900-ban DeVries, Correns és Tschermak újra felfedezték a Mendel törvényeket

Az öröklődés kromoszómaelmélete:

a mendeli gének a kromoszómák részei

- 1902-ben Walter Sutton és Theodor Boveri egymástól függetlenül leírják, hogy az ivarsejtek képződés során a meiózisban a kromoszómák ugyanúgy viselkednek, mint azt a mendeli faktoroktól elvárnánk.

Walter Sutton Theodor Boveri

A haploid genomok mérete bázispárban (C-érték)

Élőlény Csoport Genom

méret bp

T4 bakteriofág 2,0 x 10⁵

E.coli baktérium 4,2 x 10⁶

Saccharomyces cerevisiae élesztő 1,8 x 10⁷

Neurospora crassa gomba 2,7 x 10⁷

Dictyostelium discoideum nyálkagomba 5,4 x 10⁷ Caenorhabditis elegans fonálféreg 1,0 x 10⁸ Arabidopsis thaliana növény 1,0 x 10⁸ Drosophila melanogaster rovar 1,4 x 10⁸

Mus musculus emlős 3,0 x 10⁹

Homo sapiens emlős 3,3 x 10⁹

Zea mays

Ophioglossum petiolatum

növény páfrány

5,4 x 10⁹ 1,6 x 10¹¹

1,3 mm

1000 mm 43 mm

50 m DNS hossz

Az ember összes DNS-e kozmikus méretű

Egy ember ~ 10¹³ sejtet tartalmaz, ami 2 x 10¹³ m össz DNS-t jelent.

Nap-Föld távolság = 1,5 x 10¹¹ m

Egy ember össz DNS tartalmának hossza ~ 100 Nap-Föld távolságnyi.

2m = 2 x 10⁶ m hosszú emberi DNS szál

(kromoszómánként átlag 4,3 x 10⁴ m = 4,3 cm)

6 m átmérőjű sejtmag

Ez körülbelül 10⁴ -szeres tömörítést feltételez

A DNS vattacsomóhoz hasonlóan tömörödik a sejtmagban

A DNS a sejtmagban fehérjékhez kapcsoltan található.

A fehérjékhez kapcsolt DNS neve kromatin

Az egyes kromoszómáknak megfelelő kromatin kondenzáltsága a sejtciklus különböző fázisaiban eltérő

megfestett kromoszómák csirke interfázisos fibroblaszt sejtben

A kromoszómák folyamatos 30 nm vastag összefüggő fonálból épülnek fel

(házi méh metafázisos kromoszómáinak elektronmikroszkópos képe. E.DuPraw, 1968)

30 nm

fiziológiás

sókoncentráció alacsony

sókoncentráció A kromatin kondenzáltsága alacsony sókoncentrációnál fellazul

30 nm

10 nm A 30nm-es fonál az intakt kromatin szálnak felel meg, ami

elektronmikroszkóppal is látható.

A DNS kettős spirál hiszton oktamer körül kétszeresen tekeredik, ez az egység a nukleoszóma

A nukleoszóma köré tekeredés a DNS hosszát 1/3-ára csökkenti.

A 30 nm-es szolenoid szerkezet

30 nm

kb. 50-szeres DNS rövidülés

A 30 nm-es szolenoid központi vázhoz (scaffold) kapcsolódva hurkokat alakít ki

SAR = Scaffold Attachment Region = központi vázhoz kapcsolódó szakasz.

A gének a SAR részek között találhatók Két SAR régió közötti szakasz 20-120 kb

Ez az interfázisos kromoszóma alapszerkezetének modellje, mely még mindig csak tekeregve fér el a sejtmagban.

A hisztonokat pirossal, a topoizomerázt (scaffold része) sárgával festették (kétéltű kromoszóma).

Az interfázisból a metafázisba való átmenet szerkezeti modellje A scaffold (váz) további többszörös spiralizációval tömörödik.

Egy tenyésztett humán sejt metafázisos hisztonmentes kromoszómájának elektron mikroszkópos képe

A külső széleken nem

fordulnak elő szabad DNS végek.

Megfigyelhető a központi váz, vagy „scaffold” amiből a DNS fonalak kiindulnak.

(NOR)

heterokromatin

Kromoszóma azonosítás szempontjai:

- méret

- centromer helyzete

- másodlagos befűződés helye - festési mintázat

- heterokromatin eloszlása

eukromatin

A sávozottság kromatin szerkezeti mintázatot tükröz

Drosophila speciális óriáskromoszóma

Az ember kromoszómaszerelvénye

A kromoszómák méret szerint csoportosíthatók

Egy élőlény kromoszómáinak összessége a kromoszómaszerelvény

A diploid eukarióták kettős kromoszóma készlete

A allél a allél b allél B allél C allél C allél centromer

homológok

A 23 pár emberi kromoszóma

A kromoszóma egy részlete van jelképezve néhány fehérje kódoló génnel és többféle ismétlődő szekvenciával.

A fehérje kódoló szekvenciák az eukarióta genomnak csak néhány százalékát teszik ki.

Az eukarióta kromoszómák jellemző szekvencia megoszlása

A sejtciklus

G1 + G0+ S + G2 = interfázis, a működő sejtek alapállapota.

G0 = a tovább nem osztódó

interfázisos működő sejtek állapota.

S = szintézis fázis, a teljes DNS tartalom (ezáltal minden

kromoszóma) megkettőződése.

G1 és G2 = nyugalmi (működő)

állapot, a kromoszómák nem láthatók mikroszkóppal (interfázisos

kromatinnak megfelelő a szerkezetük) M = mitózis, sejtosztódás sejtmagot érintő szakasza, miközben a

megkettőződött kromatidák szétválva jutnak a kialakuló két utódsejtbe

egyetlen jelképes kromoszóma két állapota

G0

Sejtosztódási formák állat, növény és gomba szervezetek életciklusában

Mitózis

Mitózis diploid (2n) és haploid (n) sejteknél is lehetséges

Egy kiindulási sejtből két utódsejt (leánysejt) keletkezik, melyek genetikai állománya teljesen egyforma egymással és a kiindulási sejttel

Genetikai szempontból legfontosabb eseménye:

a két kromatidából (=diád) álló megkettőződött kromoszómák az osztódás során szétválnak és a leánysejtekbe kerülnek. Az utódsejtekben tehát ismét egy kromatidából (egy DNS szálból) álló, de változatlan kromoszóma

számú kromoszóma készlet található.

Összefoglalva a mitózist a genetikai állomány szempontjából:

2n → 2n + 2n vagy n → n + n.

leánysejtek interfázis

anyasejt

Az anyasejt és a leánysejtek genetikailag egyenértékűek

A mitózis a citológiailag megfigyelhető események alapján négy egymást követő szakaszra bontható:

1., profázis 2., metafázis 3., anafázis

4., telofázis

Mitózis profázis

• A kromoszómák láthatóvá válnak (a kromatinállomány erősen

kondenzált állapota)

• A kromoszómák kettősek, vagyis két kromatidából állnak.

• A testvér kromatidákat centromerek tartják össze.

• A magmembrán lebomlik.

A homológok NEM párosodnak!

(a meiozis I profázisával ellentétben)

Mitózis metafázis

• Osztódási orsó alakul ki.

• A kromoszómák az egyenlítői síkba rendeződnek.

• Az orsó húzófonalai a

kromoszómákhoz tapadnak.

A homológok egymástól független kromoszómaként viselkednek.

Mitózis anafázis

• A testvérkromatidák elválnak egymástól,és leánykromo- szómává válnak.

• A testvérkromatidák a centromerüknél fogva a pólusok felé vándorolnak.

Mitózis telofázis

• A kromoszómák szerkezete fellazul.

• Az osztódási orsó eltűnik.

• Újraalakul a sejtmag hártya

• A sejt citoplazmája is ketté- osztódik (citokinézis)

Egy AaBb kettős heterozigóta mitózisának eseményei genetikai szempontból

interfázis

A meiózis legfontosabb genetikai vonatkozásai a számfelezés és a rekombináció.

állatoknál a gaméták termelésére,

növényeknél a haplospórák termelésére specializálódott sejtek osztódási típusa

két sejtosztódásból áll

egyetlen meiocyta anyasejtből 4 utódsejt (tetrád, meiótikus termék) egyetlen meiótikus termék kromoszóma száma - ezáltal genetikai információ tartalma - pontosan fele az anyasejtének.

A négy meiótikus termék információ tartalma egymástól különböző.

A meiózis

homológok meiocita anyasejt

utódsejtek

A meiózis legfontosabb

eseményei genetikai szempontból

A homológok párosodnak

A homológok darabokat

cserélnek

A homológok szétválnak

A testvérkromatidák szétválnak

A kromoszómák replikálódnak

(interfázis S szakasza)

A meiózis szakaszai

Profázis I:

Leptotén (vékony fonalas) – a kromoszómák hosszú vékony fonalként láthatóvá válnak.

Zigotén (párosodó fonalas) – homológ kromoszómák hosszuk mentén párosodnak, (szinapszist alkotnak), így egy koplexet 4 db kromatida alkot (=tetrád), minden sejtben n számú komplex van.

Pachitén (vastag fonalas) – a kromoszómák szálai megvastagodnak, megrövidülnek.

Diplotén (dupla fonalas) – a homológok kettőzöttsége nyilvánvalóvá válik, a négy kromatid (tetrád) egymáshoz tapadása lazul, kiazmák

A szinaptonémás komplex szerkezete a Zigotén fázisban

Ez a DNS-fehérje komplex biztosítja a homológok precíz párosodását, ami lehetőséget biztosít a homológok közötti átkereszteződések (kiazmák)

létrejöttéhez.

szinapszis

Diakinézis – a kromoszómák tovább rövidülnek, a homológokat már csak a kiazmák tartják össze, a maghártya eltűnik.

Metafázis I - a homológok az egyenlítői síkban rendeződnek, a

centromerek NEM osztódnak, a homológok centromerei ellenkező pólushoz tartozó húzó fonalakhoz tapadnak

Anafázis I - a homológ párok tagjai az ellenkező pólusra jutnak

Telofázis I - fajonként változó, hogy rögtön folytatódik a 2. osztódás, vagy kialakulhat a magmembrán, sőt a sejtmembrán is, de soha nincs DNS szintézis!

Profázis II – megrövidült kromoszómák látszanak

Metafázis II - a kromoszómák az egyenlítői síkba rendeződnek. A kromatidok szétválnak.

Anafázis II - A cetromerek elhasadnak, a húzófonalak az ellentétes pólusokra viszik a leánykromoszómákat.

Telofázis II - Kialakul a magmambrán.

Létrejön a négy haploid MEIÓTIKUS TERMÉK vagy tetrád.

A mitózis és meiózis összehasonlítása (…bárhol lehet gyakorolni…)

Mendel első törvényének (egyenlő szegregáció) értelmezése a kromoszómák szintjén

Diploid sejtek mitózisának és a meiózisának összehasonlítása

a/a+ mitózisa

a/a+ meiózisa

kromatidák válnak szét

homológ kromoszómák

válnak szét

kromatidák válnak szét

2n 2n

replikáció S fázisban

replikáció S fázisban

2n

2n

2n 2n

n

n n

n

Fontosabb fogalmak

Homológ kromoszóma: Azonos génösszetétellel (lókuszokkal) és génsorrenddel, de különböző allélösszetétellel rendelkező kromoszómapár diploidokban, melyek a

meiózis során egymással párosodnak.

Testvérkromatida: A kromoszómák replikációja során képződő és az osztódásig egymással szorosan összetapadva együtt maradó két megegyező kromoszóma példány neve, melyek az osztódás során két különböző utódsejtbe kerülnek.

Diploid (2n) –haploid (n): A diploid sejtek (egyedek) kétszeres génkészlettel

rendelkeznek, vagyis minden gén két példányban van jelen a sejtben a két homológ kromoszómán. A haploid sejtek egyszeres génkészletűek.

Crossing over (átkereszteződés): Az egymásnak megfelelő homológ DNS szakaszok átkereszteződése a meiózisban.

Mennyi a humán diploid kromoszómaszám? Hány darab DNS molekula található a humán sejtekben az alábbi sejtosztódási fázisokban:

a) mitózis metafázis b) meiozis I metafázis c) mitózis telofázis d) meiozis I telofázis e) meiozis II telofázis

A kromoszóma elmélet citogenetikai bizonyítása

A kromoszóma elmélet bizonyításához konkrét gének és kromoszómáik közötti kapcsolat közvetlen bizonyítékára volt szükség.

1910 Thomas H. Morgan: felfedezi az X kromoszómához kapcsolható nemhez kötött (cikkcakk) öröklődést muslicában.

1914 Calvin Bridges: kimutatja a kromoszóma nondiszjunkciót, ami perdöntő bizonyíték.

A kromoszómaelméletet alátámasztó kísérlet összefoglalása következik (Bridges, 1910-es évek)

Megértéséhez szükséges a nemhez kötött öröklődés témakörének ismerete.

The Centenary of GENETICS: Bridges to the Future

Barry Ganetzky, R. Scott Hawley

GENETICS January 5, 2016 vol. 202 no.

1 15-23; DOI: 10.1534/genetics.115.180182 ://www.genetics.org/content/202/1/15

fehér hím piros

hím

piros nőstény F1

fehér X nőstény P

Bridges újra elvégezte piros és fehér szemű muslicákkal a cikkcakk öröklésmenethez vezető kísérletet. Sok állatot keresztezett, sok utódot kapott.

fehér

nőstény piros hím

1/2000

Bridges elsődleges és másodlagos szokatlan utódokat eredményező Drosophila keresztezései

red = piros-szemű white = fehér-szemű

1/2000

1/25

Mi lehet az elsődleges szokatlan nőstény genotípusa?

Fertilis nőstény, tehát két X kromoszómája kell, legyen.

Nem kaphatott w+ allélt az apjától, hiszen akkor piros lenne a szeme.

A w allélokat az anyjától kellett kapnia.

Lehetséges, hogy osztódási baleset miatt a szülő nőstény ivarsejt képzése során a w allélok nem váltak szét, és az egyik ivarsejtbe két w jutott, a

másikba pedig egy sem.

w w

w w

w w w w

normális nondiszjunkció

Milyen utódokat eredményezhetnek a nondiszjunkcióval keletkezett ivarsejtek?

A nondiszjunkció nőstényben történt. A keresztezési partner w+ hím.

ww 0

www+ w+0 w+

wwY Y0 Y

w w w w

w+

Y

w+Y

Ha a white gént az X kromoszóma hordozza, akkor a szemszín az X kromoszóma öröklődését jelzi.

Milyen utódokat eredményezhetnek a nondiszjunkcióval keletkezett ivarsejtek?

A nondiszjunkció nőstényben történt. A keresztezési partner w+ hím.

XwXw 0

XwXwXw+ Xw+0 Xw+

XwXwY Y0 Y

w w w w

w+

Y

w+Y

A másodlagos szokatlan utódokat eredményező Drosophila keresztezés

red = piros-szemű white = fehér-szemű

1/2000

1/25

Az XXY elsődleges szokatlan nőstény ivarsejt képzése

A keletkező ivarsejt féleségek: XwY és Xw, valamint XwXw és Y

A másodlagos szokatlan utódok keletkezésének magyarázata az XXY kromoszóma készlet kétféle szegregációja

(1/25)

Az egyes szegregációs termékek eltérő arányát az X és Y kromoszómák párosodási affintásának különbözősége okozza.

Bridges citológiai bizonyítékot is gyűjtött. Megvizsgálta a másodlagos szokatlanok kromoszómáit, és azt találta, hogy azok sejtjeiben valóban XXY és XY kromoszómák látszanak. Megvizsgálta még a másodlagos kivétel fehér szemű nőstény lányainak kromoszómáit is. És itt is az elvárásoknak megfelelően azok felében XXY, másik felében XX kromoszómákat talált.

A genetikai és a citológiai vizsgálat eredményei összhangban vannak egymással, és körültekintően bizonyítják, hogy a white gén az X

kromoszómán van.

Nincs okunk, hogy ne általánosítsunk, és ne állítsuk, hogy a gének a kromoszómák részei.