Gener och kromosomer
De klassiska principerna för genetik fastställdes av Gregor Mendel 1865, på grundval av resultaten av avelsförsök med ärter. Mendel studerade nedärvningen av ett antal väldefinierade egenskaper, t.ex. fröfärg, och kunde härleda allmänna regler för deras överföring. I samtliga fall kunde han korrekt tolka de observerade arvsmönstren genom att anta att varje egenskap bestäms av ett par ärftliga faktorer, som nu kallas gener. En genkopia (kallad en allel) som specificerar varje egenskap ärvs från varje förälder. Om man till exempel avlar två ärtstammar – en med gula frön och en med gröna frön – får man följande resultat (figur 3.1). Föräldrastammarna har vardera två identiska kopior av genen som specificerar gula (Y) respektive gröna (y) frön. Avkommorna är därför hybrider som har ärvt en gen för gula frön (Y) och en gen för gröna frön (y). Alla dessa avkommor (den första filialgenerationen eller F1-generationen) har gula frön, så gul (Y) sägs vara dominant och grön (y) recessiv. Genotypen (den genetiska sammansättningen) hos F1-ärtorna är alltså Yy, och deras fenotyp (fysiskt utseende) är gul. Om en F1-avkomma avlas med en annan, vilket ger upphov till F2-avkommor, segregeras generna för gula och gröna frön på ett karakteristiskt sätt så att förhållandet mellan F2-plantor med gula frön och de med gröna frön är 3:1.
Figur 3.1
Fördelning av dominanta och recessiva gener.
Mendels upptäckter, som uppenbarligen var före sin tid, ignorerades till stor del fram till 1900, då Mendels lagar återupptäcktes och deras betydelse erkändes. Kort därefter föreslogs kromosomernas roll som bärare av gener. Man insåg att de flesta celler i högre växter och djur är diploida – de innehåller två kopior av varje kromosom. Bildandet av könscellerna (spermier och ägg) inbegriper dock en unik typ av celldelning (meios) där endast en medlem av varje kromosompar överförs till varje avkommecell (figur 3.2). Följaktligen är spermier och ägg haploida, dvs. de innehåller endast en kopia av varje kromosom. Föreningen av dessa två haploida celler vid befruktning skapar en ny diploid organism, som nu innehåller en medlem av varje kromosompar som härrör från den manliga och en från den kvinnliga föräldern. Kromosomparens beteende är således parallellt med genernas, vilket leder till slutsatsen att generna bärs på kromosomer.
Figur 3.2
Kromosomer vid meios och befruktning. Två kromosompar från en hypotetisk organism illustreras.
De grundläggande principerna för mutation, genetisk koppling och förhållandet mellan gener och kromosomer fastställdes till stor del genom experiment som utfördes med fruktflugan Drosophila melanogaster. Drosophila kan lätt underhållas i laboratoriet och de reproducerar sig ungefär varannan vecka, vilket är en avsevärd fördel för genetiska experiment. Dessa egenskaper fortsätter faktiskt att göra Drosophila till en organism av val för genetiska studier av djur, särskilt den genetiska analysen av utveckling och differentiering.
I början av 1900-talet identifierades ett antal genetiska förändringar (mutationer) i Drosophila, som vanligen påverkade lätt iakttagbara egenskaper som ögonfärg eller vingeform. Avelsförsök visade att vissa av de gener som styr dessa egenskaper ärvs oberoende av varandra, vilket tyder på att dessa gener finns på olika kromosomer som segregeras oberoende av varandra under meiosen (figur 3.3). Andra gener ärvs dock ofta tillsammans som parvisa egenskaper. Sådana gener sägs vara kopplade till varandra på grund av att de ligger på samma kromosom. Antalet grupper av kopplade gener är detsamma som antalet kromosomer (fyra i Drosophila), vilket stöder tanken att kromosomerna är bärare av generna.
Figur 3.3
Gensegregation och koppling. (A) Segregation av två hypotetiska gener för form (A/a = fyrkantig/rund) och färg (B/b = röd/blå) belägna på olika kromosomer. (B) Koppling av två gener på samma kromosom.
Länkning mellan gener är dock inte fullständig; kromosomer utbyter material under meiosen, vilket leder till rekombination mellan länkade gener (figur 3.4). Frekvensen av rekombination mellan två länkade gener beror på avståndet mellan dem på kromosomen; gener som ligger nära varandra rekombinerar mindre ofta än gener som ligger längre ifrån varandra. Frekvensen av rekombination mellan olika gener kan därför användas för att bestämma deras relativa positioner på kromosomen, vilket gör det möjligt att konstruera genetiska kartor (figur 3.5). År 1915 hade nästan hundra gener definierats och kartlagts på Drosophilas fyra kromosomer, vilket ledde till en allmän acceptans av den kromosomala grunden för ärftlighet.
Figur 3.4
Genisk rekombination. Under meiosen utbyter medlemmarna i kromosompar material. Resultatet är rekombination mellan kopplade gener.
Figur 3.5
En genetisk karta. Tre gener lokaliseras på en hypotetisk kromosom baserat på frekvenser av rekombination mellan dem (1 % rekombination mellan a och b; 3 % mellan b och c; 4 % mellan a och c). Rekombinationsfrekvenserna är ungefär proportionella (mer…)