Mendelovy Hynčice

Historická genetika:

Thomas Hunt Morgan

(25.září 1866 – 4. prosince 1945)

Autor: Ladislav Šigut

Školitel: Mgr. Renáta Kany

■Úvod:

Genetika, jako biologický vědní obor, se od dob svého založení Johannem Gregorem

Mendelem roku 1865 velmi rychle rozvíjí. Poté co tento mnich působící v Brně objevil

základní zákonitosti dědičnosti organismů, které však byly uznány teprve roku 1900, přišla

řada dalších vědců s průkopnickými objevy. Byli to například Calvin B. Bridges a Thomas H.

Morgan, jejichž zásluhou je již od roku 1916 známo, že geny, jejichž existence byla objevena

Mendelem, jsou uloženy v jádrech buněk v chromozomech, čímž byl vytvořen předpoklad pro

vznik genetiky na úrovni buňky - cytogenetiky. Tento historický úkol připadl Američanu

Thomasu Huntovi Morganovi, jehož výzkum mě velmi zaujal. A to hlavně jeho experimenty

s křížením banánové mušky (octomilky) Drosophily Melanogaster, pomocí kterých poopravil

Mendelovy zákony a formuloval nová pravidla, na jeho počest nazvané Morganovy zákony.

Na Thomase Morgana jsem se v této práci zaměřil hlavně kvůli tomu, že všechny své

poznatky odvodil pozorováním snadno viditelných změn vyvolaných křížením modelového

organismu.

■ Teorie a historický podklad:

Život a bádání Thomase Hunta Morgana

Na začátku dvacátého století přišel významný objev, který sjednotil tato tři pole

výzkumu – dědičnost, evoluci a vývoj – a umožnil biologii vydat se cestou směrem k dnešním

úspěchům. Tento úspěch je odvozen z objevu, že gen, lokalizovaný na specifické pozici

v chromosomu, byl zároveň jednotkou Mendelovy dědičnosti, řídící silou pro Darwinovu

evoluci a kontrolním spínačem vývoje. Tento neobyčejný objev může být bezmyšlenkovitě

1

přičten jedné osobě a jedné instituci: Thomasu Huntovi Morganovi a Kolumbijské universitě.

Stejně jako Darwinovo porozumění evoluce zvířecích druhů poprvé dala ucelenost biologii

devatenáctého století, jako popisné vědy, Morganovy objevy týkající se genů a jejich umístění

na chromosomech pomohlo přetvořit biologii na experimentální vědu.

Ještě více důležité bylo, že Morganovy objevy umožnily klást řady otázek týkajících

se funkce a struktury genu. Jaká je jejich chemická podstata? Jak se geny replikují? Co se

děje, když geny mutují? Jak by geny mohly poskytnout podklady pro porozumění genetickým

nemocem? Jak geny určují vlastnosti buněk, vývoj organismu a možnost evoluce? Odpovědi

na některé z těchto otázek přišly přímo od Morgana a jeho studentů, zatímco jiné výsledky

byly prací vědců dotčených jeho značným vlivem. V každém případě objevy uskutečněné

těmito průkopnickými badateli určily program pro biologii dvacátého století.

Morgan byl vyškolen jako evoluční biolog na Johns Hopkins University, kde roku

1890 získal titul doktor filosofie za práci na vývoji mořských pavouků - specializované

skupině bezobratlých zvířat.

V roce 1904 Kolumbijská universita oznámila ustavení nové katedry experimentální

zoologie a nabídla ji Morganovi. Na půdě této univerzity byl Morgan ovlivněn vedoucím

oddělení zoologie a dlouhodobým přítelem Erwinem Wilsonem. Wilson přesvědčoval

Morgana, že klíč k porozumění vývoji – kdy jedna buňka, vajíčko, dává vzniknout zvířeti – je

porozumět dědičnosti, poněvadž ta určuje prostředky, kterými vajíčko a spermie přenáší

vlastnosti jedinců z jedné generace na druhou.

Morgan chtěl navázat na studie Mendela, které byly znovuobjeveny roku 1900, ale

místo rostlin začal křížit zvířata. Jenže zjistil, že krysy a myši, které používal se

rozmnožovaly tak pomalu, že se staly nepraktickými pro studium dědičnosti. Jeho hledání

vhodnějšího organismu jej nakonec zavedlo k Drosophile Melanogaster.

Morgan začal pracovat s drozofilami roku 1907 v malé laboratoři přeplněné

tisícovkami lahví na mléko, uvnitř kterých pěstoval kmeny malinkých mušek. Jeho záměrem

bylo vypěstovat mnoho generací mušek a vyprodukovat alespoň jednu, která se od ostatních

bude lišit. Zkráceně, doufal že najde mušku, která nahodile prošla mutací, tj. náhlá změna

tělesné stavby,fenomén, který byl nově objeven u rostlin nizozemským biologem Hugem de

Vriesem. Ale navzdory velké snaze a vypěstování následných generací, Morgan zpočátku

nedokázal objevit jedinou mutaci. „Dvouletá práce je promarněna” stěžoval si jednomu

z návštěvníků jeho laboratoře. „Celou tu dobu jsem pěstoval ty mušky a nic jsem z toho

nevytěžil.”

(Harrison, R.G., "Embryology and Its Relations")

2

Ale Morgan vytrval a v dubnu roku 1910 učinil zásadní objev. V jedné z jeho láhví

naplněných drozofilami byla samčí muška lišící se od ostatních v barvě očí. Morgan si

okamžitě uvědomil souvislosti; narození tohoto jediného samovolně vzniklého mutanta – této

jedné samčí mušky s bílýma očima – mu umožnilo začít směřovat některé klíčové otázky

na dědičnost: Kde má původ tato bílá barva? Co určuje barvu očí?

Jako další krok spářil samečky s bílýma očima se samičkami s červenýma očima.

Výsledkem bylo, že všichni potomci měli oči červené. Červenoocí samci s bělookými

samičkami však dávali jiné výsledky – všichni synové měli bílé oči a všechny dcery červené.

Morgan nalezl významný klíč k záhadě, kterou se Mendel nezabýval – kde jsou geny vlastně

uloženy. Morgan věděl, že rozdíly mezi samci a samicemi se přenášejí z generace na generaci

stejně jako Mendlovy vlohy. Každá buňka v každém organismu obsahuje jisté vláknité útvary,

chromozomy. Ty byly objeveny již padesát let předtím. Stejně jako Mendlovy hypotetické

vlohy se chromosomy rozštěpily a byly rozděleny mezi potomstvo v následující generaci – to

naznačovalo, že chromosomy a geny mohou mít něco společného.

Samci a samice měli chromozomy téměř stejné, s jedinou důležitou výjimkou. Samice

mají dva X chromozomy, samci mají jeden X a jeden menší chromozom Y. Všechna vajíčka

mají X chromozom, spermie buď X, nebo malý Y chromozom. Z toho tedy Morgan odvodil,

že chromozomy X a Y jsou chromozomy určující pohlaví – gonozomy nebo také

heterochromozomy. V každé somatické sadě je (n-1) autochromozomů – neboli autozomů,

somatických chromosomů, to je chromosomů dokonale shodných u obou pohlaví, a 1

gonozom, to je chromozom, který je v karyotypu dokonale párový pouze u jednoho pohlaví.

Morgan si dále všiml něčeho důležitého. To jak se dědila barva očí, určoval X chromozom.

Synové dostali svůj X (a barvu očí) od matky a Y od otce; dcery dostaly po jednom

chromozomu X od každého z rodičů. Vypadalo to, že chromozom Y nenese žádný gen

určující barvu očí, takže se projevil jakýkoli gen uložený na chromozomu X. A jelikož

červené oči byly dominantní, vzhledem k bílým, červenoocí otcové a bělooké matky dali

vznik červenookým dcerám a bělookým synům.

Morgan tedy tvrdil, že gen pro barvu očí je vázán na chromozom X a je tudíž pohlavně

vázaný. To podle všeho znamenalo, že geny byly opravdu na chromozomu. Brzy se dostavil

konečný důkaz. V jednom kmeni mušek se jeden chromozom X náhodně spojil s druhým.

Současně s tím se změnil také systém dědičnosti pro barvu očí. Geny tedy musí být

na chromozomech, jejichž funkci do té doby nikdo neznal. Morganův počáteční článek,

nazvaný „Sexuálně limitovaná dědičnost u drozofily” byl publikován v prestižním časopisu

Science v červenci roku 1910. V tomto a v následujím článku publikovaném roku 1911

3

Morgan načrtnul své 3 základní objevy: (1) geny musí trvale spočívat na chromozomech; (2)

každý gen musí být umístěn na určitém specifickém chromozomu; a (3) znaky pro barvu očí

musí být umístěny na pohlavním chromozomu, kde se nachází lokus (chromozomové místo

vyhrazené určitému genu) pro barvu očí, a který chybí na chromozomu Y a je dominantní

na chromosomu X. Tyto objevy utvořily srdce jedné z nejdůležitějších Morganových

myšlenek: chromozomální teorie dědičnosti. Navrhnul, že každý chromozom obsahuje soubor

malých jednotek zvaných geny (termín přejatý od dánského filosofa Wilhelma Johannsena,

který vyučoval na Kolumbijské univerzitě v letech kolem roku 1909), s různými geny, jimž je

vždy vyhrazeno specifické místo v pořadí genů zcela určitého chromozomu. Morgan později

popsal chromozomy tímto způsobem:

„Vajíčko každého druhu zvířat nebo rostlin nese přesný počet tělísek zvaných

chromozomy. Spermie přenáší stejný počet chromozomů. Tudíž když se spojí vajíčko

se spermií, bude obsahovat oplozené vajíčko dvojitý počet chromozomů. Na každý

chromozom přenesený ze spermie je zde odpovídající chromozom přenesený

z vajíčka. To znamená, že jsou zde 2 chromozomy získané od obou pohlaví, které jako

celek tvoří pár.”

(Morgan, T.H. et al., The Mechanism of Mendelian Heredity)

Roku 1911 přesměroval Morgan svůj výzkum ve snaze získat další informace

o chromosomové teorii dědičnosti. Zjistil, že počet genů u jednotlivých organismů je vždy

několikařádově vyšší, než je počet jejich chromosomů. Proto nemohou být všechny geny

volně rekombinovatelné. Ty geny, které jsou uloženy v jednom a téže chromosomu (neboli ty

páry alel, které jsou neseny jedním a týmž párem homologických chromosomů), jsou vázané;

jejich soubor tvoří vazbovou skupinu. Vazbou genů tedy rozumíme, že dva nebo více

sledovaných genů je složkou téže vazbové skupiny a mají tendenci být předávány potomstvu

společně. Přinejmenším v případě některých genů se tedy Mendel mýlil: dědičné vlohy nejsou

na sobě vždy nezávislé. Morgan na základě studia těchto vazeb roku 1926 formuloval dvě

pravidla, která se stala podkladem dalšího studia genetické vazby. Tato pravidla bývají často

označována jako Morganovy zákony. Podle prvého z nich jsou geny uloženy v chromozomu

v lineárním pořadí. Podle druhého je počet vazbových skupin roven počtu párů

homologických chromozomů, tj. haploidnímu počtu chromozomů.

Díky těmto faktům Morgan odvodil proces chromozomové rekombinace.

Předpokládal, že dva páry chromozomů se mohou “vyměnit” nebo “překřížit“ mezi sebou, a

dále přišel s myšlenkou, že frekvence rekombinace je funkcí vzdálenosti mezi geny

4

na chromozomu. Čím blíže leží tyto dva dotyčné geny na chromozomu, tím větší je šance, že

budou zděděny společně. S vzrůstající vzdáleností s jakou jsou geny umístěny

na chromozomu se zvyšuje i jejich šance být separovány procesem zvaným crossing – over.

Zkráceně Morgan navrhl, že síla vazby mezi geny závisí na vzdálenosti mezi nimi

na chromozomu. Síla vazby se udává takzvaným Morganovým číslem p v rekombinačních

jednotkách neboli morganech. Hodnota jeden morgan vyjadřuje, že dihybrid tvoří 1% gamet

s rekombinovanou sestavou alel; jinými slovy to znamená, že v dané oblasti vymezené

sledovanými geny, je pravděpodobnost vzniku crossing – overu 1% (0,01). Při volné

rekombinovatelnosti je hodnota p rovna 50% (0,50).

Jeden rok poté co Morgan objevil bělookou mušku, Morganův student Sturtevant

poprvé navrhl mapu pro geneticky vázané geny. Podrobil studiu vhodný počet mutací, které

mu dovolily vyjádřit sílu vazby v jednotkách vzdálenosti na chromozomu. Řazení a

umísťování genů, které Sturtevant vypracoval roku 1911 je v podstatě totožné s tím, které

můžeme najít na moderních mapách chromozomu X drozofily. Zjištění, že geny jsou

na chromosomech uspřádány jako kuličky na šňůrce se specifickými vzdálenostmi mezi nimi

konečně zplodilo pojmové základy pro honbu za geny, způsobující genetické nemoci pomocí

analýzy vazby a pro mapování celých genomů, jako lidský genom.

Porovnáním výsledků chovu s cytologickými pozorováními chromozomů

pod mikroskopem Morganova skupina rychle změnila abstraktní představu o Mendelových

hypotetických faktorech ve skutečnou realitu konkrétních genů umístěných na specifických

místech podél délky chromozomu. Z počátku byly jejich mapy poněkud abstraktní, jelikož

byly založeny pouze na relativních vzájemných pozicích na chromozomu, jež byly zjištěny

na základě studování vazeb genů – typ mapy nyní nazývaný rekombinační mapa. Ale o dvě

století později Calvin Bridges uspěl ve vývoji druhé nezávislé mapy – fyzikální mapy –

ukazující přesnou fyzikální polohu genu na chromozomu. Dosáhnul toho využitím

nepředvídané vlastnosti drozofily, která má ve svých larválních stádiích obří polytenní

chromozomy. Jejich modifikovaným barvením pomocí cytochemických pruhovacích metod,

lze na chromozomech pozorovat vzor disků nebo pruhů, které rozdělují každý chromozom

na jednotlivé fyzikální podoblasti. Bridges byl schopný rozpoznat celkově 1024 neměnných

disků na chromozomu X. Tyto pruhy odpovídají v interfázi kondenzovanějšímu, transkripčně

neaktivnímu chromatinu – heterochromatinu – a jsou v nich lokalizovány hlavně nekódující

sekvence DNA. Vývoj fyzikálních map chromozomů se ukázal být obzvláště hodnotný,

protože tyto dovolily vizuální prezentaci sekvence genů na chromozomu – sekvence, která

může být odvozena jedině z abstraktní rekombinační mapy.

5

Okolo roku 1913 Sturtevant přispěl ještě dalším důležitým objevem s jeho

proniknutím do existence různých alelických forem, které chápal jako alternativní kvality

stejného genu na stejném lokusu. Výzkum na genu zodpovídajícím za bílou barvu očí

drozofily jasně ukázal, že gen může zmutovat z jedné alely do jiné – z červené do bílé. Dále si

Sturtevant všiml, že v  některých zvláštních případech červená alela mutuje v jinou alelu, poté

do třetí, případně čtvrté alely, přičemž každá nová alela koresponduje s jinou barvou očí. Ale

pokaždé, kdy dal gen vzniknout nové alele, se mutantní forma opakovala v potomstvu a

zůstala nezměněna, dokud se, znovu ve velmi výjimečných případech, neobjevila nová

mutace u jednoho z potomků. Morganova skupina byla tudíž schopná dokázat, že jsou tyto

alely mimořádně stabilní!

Nízká frekvence spontánní mutace a opakování mutací, které se dříve objevily,

naznačovaly, že genetický materiál je neměnný. Toto pozorování bylo brzy potvrzeno

u mnoha jiných organismů, od drozofily po člověka a od bakterie po kvasinku, nabízející

důkaz obého: dědičnosti a schopnosti mutace, poskytující možnost evoluční změny, navzdory

obecné neměnnosti genetického materiálu.

Tyto plodné objevy byly roku 1915 shrnuty Morganem a jeho třemi studenty

na Kolumbijské univerzitě, Sturtevantem, Bridgesem a Hermannem J. Mullerem,

v “Mechanismu mendelovské dědičnosti”, knize, která prokázala svou historickou důležitost.

Především toto dílo vyložilo fyzikální podklad pro nové vědní obory genetiky. Kromě toho

experimentální disciplína načrtla možnosti poskytující první experimentální podklady pro

moderní biologii, která ji přeměňuje z deskriptivní vědy zakládající se hlavně na morfologii.

Anatomie, jež byla královnou biologických věd od dob Renesance do začátku 20. století, byla

nyní nahrazena genetikou stejně, jako se ukázalo, že biologie, jako exaktní, důsledná,

kvantitativně – experimentální věda, může stát na stejné úrovni s fyzikou a chemií.

Roku 1923 Morganův tým objevil velmi neobvyklou mušku. Jedním

z charakteristických znaků much obecně je, že mají dvě křídla; Diptera, hmyzí řád ke kterému

mouchy patří, znamená „dvoukřídlí“. Muška, kterou objevil Bridges, jeden z Morganových

promovaných studentů, měla jeden pár normálních křídel a jeden pár částečně vyvinutých

křídel. Čtyři křídla! Bridges zjistil, že tento „čtyřkřídlý“ genotyp vznikl genetickou mutací

třetího chromozomu;dochází tak k obnovení evolučně původního stavu dvou párů křídel

u hmyzu (atavizmus). Po bližším přezkoumání si Bridges všiml, že třetí segment thoraxu

u těchto much vypadá hodně podobně jako běžný druhý segment thoraxu (kde křídla

normálně rostou). Následkem toho pojmenoval gen spojený s tímto mutantním genotypem

„bithorax“.

6

Genetici zabývající se studiem drozofily později našli ještě další podobné mutace.

Jedna taková, zvaná ultrabithorax, která byla příčinou vzniku dvou kompletně vyvinutých

párů křídel. A jiná, zřetelně odlišná mutace způsobená genem Antennapedia, který specifikuje

článek mesothoraxu, který nese jediný pár křídel. U dominantního mutanta Antennapedia je

gen exprimován také v hlavě, což vede k tomu, že části hlavy jsou transformovány ve články

hrudi: na hlavě se vytvoří namísto tykadel další pár nohou; články hrudi přitom zůstávají, tj.

nesou nohy. Naproti tomu u homozygotní recesivní mutace Antennapedia není v hrudi

přítomen příslušný protein a namísto nohou se vyvíjejí tykadla. Tyto mutantní geny jsou dnes

všeobecně známé jako homeotické geny, pojmenované po homeóze. Homeóza, termín ražený

Williamem Batesonem, je vlastně označení pro změnu nějaké morfologické struktury v jinou

na nesprávném místě (popř. v nesprávném čase). Ukázalo se, že u mutantů, u kterých

zmutovaly právě tyto geny, došlo ke přeměně charakteristických znaků jednoho segmentu

mouchy ve znaky jiného segmentu. Zajímavé je, že všechny tyto geny jsou umístěny v těsné

blízkosti lineárně za sebou ve dvou komplexech na třetím chromozomu a pořadí, ve kterém

leží geny za sebou, odpovídá pořadí tělních článků a časové posloupnosti jejich transkripce.

Jako výraz uznání jeho práce týkající se chromozomů obdržel Morgan roku 1933

Nobelovu cenu za fyziologii a lékařství. Nobelova cena přiznala Morganovi dva stěžejní

vědecké přínosy: objev chromozomové teorie dědičnosti a genové teorie, které se ukázaly být

řídícími biologickými pojmy 20. století a také vznik nové biologie, založené na důsledných

experimentálních metodách.

Kromě mnoha příznivců měl Morgan ve své době také oponenty. Ti zpochybňovali

výsledky jeho výzkumů s poukazem na to, že jde o výzkumy jediného konkrétního organismu

(mouchy octomilky) a předpokládali, že závěry nemusí být všeobecně platné. Další vývoj

však ukázal, že Morganovy poznatky jsou zcela univerzální. Octomilky tak vstoupily

do genetiky jako významný modelový organismus a vhodný pokusný objekt.

Mutace a mutageny

7

Mutace obecně

Mutace jsou změny v genotypu organismu oproti normálu. Velká většina mutací je

naprosto náhodných. Mutace mají většinou nepříznivý vliv na fenotyp organismu, ovšem

některé mají vliv pozitivní a tudíž mají vliv na evoluci. Mutace vzniklé díky chybě při

replikaci DNA se nazývají mutace spontánní (dochází k nim bez zásahu z vnějšího prostředí).

DNA polymeráza je však velmi přesná, navíc má samoopravnou funkci. Pravděpodobnost

jedné takovéto chyby se pohybuje v řádech asi 10-7. Četnost těchto mutací je tedy velice

nízká, navíc buňky jsou do jisté míry schopné tyto chyby díky reparačním enzymům

likvidovat. Většina mutací je tedy tzv. indukovaných, tj. vyvolaných vnějšími mutagenními

faktory (mutageny). Těmi může být např. záření (UV, RTG), chemické látky (areny, těžké

kovy, peroxidy....). Takovéto mutace umíme již i uměle vyvolat. Mutace mohou nastávat v

různém rozsahu.

Mutace genové

Probíhají na úrovni molekuly DNA. Výsledkem je poškozená nukleotidová sekvence, díky

tomu se mění triplety (kodony) a dojde k chybě v proteosyntéze (syntetizují se úplně jiné

aminokyseliny). Pokud je poškozen gen regulující množení a diferenciaci buňky, může to vést

až k nekontrolovatelnému bujení (nádorová onemocnění).

Může dojít k: adici (zařazení nadbytečného páru nukleotidů), deleci (ztráta páru

nukleotidů), zařazení jiného nukleotidu (záměna), změně pořadí několika nukleotidových párů

nebo třeba i k poškození chemické struktury některé části molekuly nukleotidu.

Mutace chromozomové

Též nazývané abreze. Dochází ke změně struktury chromozomů. Dochází k nim např.

při crossing-overu - chromosomové úlomky se špatně spojují, může ale dojít i ke ztrátě celého

bloku. Tyto mutace porušují průběh meiózy a způsobují nefunkčnost gamet.

Druhy: delece (ztráta části chromozomu), inverze (převrácení části chromozomu),

duplikace (zdvojení části chromozomu), translokace (připojení části chromozomu na

chromozom špatný) nebo fragmentace (rozpad chromozomu na fragmenty).

Mutace genomové

Dochází ke změně samotného genomu, většinou jde buď o znásobení celé

chromozomové sady (euploidie = polyploidie, jedinec je 3n - triploidní nebo i více -

polyploidní), nebo ke změně počtu jednotlivých chromozómů ze sady aneuploidie. Základní

8

možnosti jsou trisomie (místo páru máme tři chromosomy), tetrasomie (čtyři chromosomy)

nebo monosomie (jeden chromosom). Nulisomie (žádný) nebo polysomie (více) jsou již

vzácnější. Základní příčinou jsou gametické aneuploidie (nulisomie či disomie), které jsou

způsobeny nondisjunkcí (neoddělením) chromosomů během meiózy. Takováto gameta pak po

splynutí s normální (euploidní) gametou dá za vznik monosomické nebo trisomické gametě.

To mívá za následek vznik různých genetických chorob. Je nutno podotknout, že ne všechny

takovéto mutace jsou slučitelné se životem.

Pohlavně vázané znaky

Genetický obsah nehomologických segmentů chromozomů X a Y je rozdílný. Podle

současných poznatků obsahuje chromozom Y pouze 78 genů, což je daleko menší počet, než

jaký nacházíme u ostatních chromozomů. Tak například na malém akrocentrickém

chromozomu 22, který je svou délkou srovnatelný s chromozomem Y, bylo dosud

identifikováno více než 500 genů. T toho lze vyvodit, že větší část chromozomu Y tvoří úseky

bez funkčních genů (tzv. nekódující DNA). Většina z uvedených 78 genů na chromozomu Y

se nachází v regionech PAR, které jsou na obou gonozomech shodné (mimo tyto regiony leží

například gen SRY – z anglického Sex-determining Region on Y - s klíčovým významem při

pohlavní diferenciaci). Z toho vyplývá, že způsob dědičnosti znaků, které jsou řízeny geny

lokalizovanými v těchto nehomologických segmentech, nebude shodný se způsobem

dědičnosti znaků, jejichž geny jsou lokalizovány v homologických úsecích pohlavních

chromozomů a v autozomech. Znak řízený genem, uloženým v nehomologickém segmentu

párového i nepárového pohlavního chromozomu, to znamená nacházející se pouze

na chromozomu X, označujeme jako znak pohlavně vázaný, přesněji jako znak úplně

pohlavně vázaný. Znak řízený genem uloženým v homologických segmentech pohlavních

chromozomů označujeme za znak neúplně pohlavně vázaný. Analogicky mluvíme o

dědičnosti (úplně) pohlavně vázané a o dědičnosti neúplně pohlavně vázané.

Obvykle se takovéto geny nacházejí v části chromozomu X, kterou chromosom Y

postrádá. Výsledkem je, že ženy budou mít dvě kopie pohlavně vázaného genu, zatímco muži

budou mít pouze jednu kopii tohoto genu. Jestliže je gen recesivní, potom muži potřebují

pouze jeden takovýto recesivní gen, aby se sexuálně vázaná vloha projevila. Toto je důvod

proč muži vykazují některé znaky více často než ženy.

9

Gonozomálně recesivní onemocnění

Gonozomálně recesivní choroby postihují většinou muže. Ženy bývají přenašečky a

jen zřídka jsou samy postiženy (recesivní homozygotky).

Hemofilie: Vede ke snížení schopnosti srážet krev, což může způsobit krvácení do tkání a

kloubů a vyššímu krvácení při poraněních, nebo chirurgických zákrocích. 1 / 10000

Daltonismus: ("barvoslepost") Chybí, nebo je omezena schopnost rozlišit červenou a zelenou

barvu.

Globinová onemocnění

Srpková anemie: (Sickle cell anemia) Těžká, dědičná forma hemolytické anemie. Erytrocyty

pacientů se za určitých podmínek zkroutí do srpkovité podoby. Dochází k ucpávání kapilár a

zvětšení sleziny, která má sníženou funkci. Onemocnění je recesivně dědičné, heterozygoti

jsou zdraví, pouze za výjimečných okolností se u nich mohou objevit nějaké potíže.

Heterozygoti jsou mnohem odolnější proti malárii, než zdraví jedinci; v oblasti výskytu

malárie tvoří heterozygoti až polovinu populace.

Thalasémie: Jedny z nejobvyklejších monogenních chorob světa, časté především ve

středomoří. Rozlišuje se alfa a beta-thalasemie, podle toho, který řetězec hemoglobinu je u

postiženého poškozen. Oba typy mají trochu odlišný projev, patrná však bývá anémie a

hemolýza.

Dědičná trombofilie - Leidenská mutace

Dědičná trombofilie (zvýšená srážlivost krve). Při delším znehybnění mají trombofilici

vysoké riziko tromboembolické choroby (TEN). V cévách se utváří tromby (krevní

sraženiny), které se mohou utrhnout - vzniká embolus, který zapříčiní embolii a tím i smrt

postiženého. Nejvýznamnějším genem způsobujícím dědičnou trombofilii je tzv. "Leidenská

mutace" (FVL). Dědičnost je autozomálně dominantní. Heterozygoti mají zvýšené riziko

vzniku tromboembolie, homozygoti jsou zatíženi mnohem vyšším rizikem oproti běžné

populaci.

10

Numerické odchylky gonozomů

Turnerův syndrom: Monosomie chromozomu X. Výskyt asi 1 / 10000 narozených dívek.

Opožděný sexuální vývoj, malá postava, většinou sterilita, absence sekundárních pohlavních

znaků.

Klinefelterův syndrom: Podmíněno karyotypem 47XXY (může být i třeba 48XXXY,

48XXYY nebo 49XXXXY). Výskyt asi 1 / 1000 narozených chlapců. Neplodnost, průměrný

vzrůst, u všech forem hypogenitalismus (zmenšené pohlavní orgány).

Superfemale: Karyotyp 47XXX. Výskyt asi 1 / 1000 narozených dívek. Mírná mentální

retardace, omezená plodnost.

Supermale: Karyotyp 47XYY. Výskyt asi 1 / 1000 narozených chlapců. Většinou bez

patrných příznaků. Může být vyšší postava, snížená plodnost a sklony k agresi.

■ Modelový organismus a metodika

Octomilka, Drosophila melanogaster

Vývoj drozofily je velmi specifický, ale přesto se stala jedinečným modelem vývojové

genetiky díky širokému zázemí genetických poznatků, krátkému životnímu cyklu,

nenáročnosti při jejím laboratorním pěstování, značnému množství potomků, malému počtu

chromosomů vhodných i pro cytogenetické studium, malému genomu (velikosti asi 1/20

typického savčího genomu), který umožňuje molekulárně genetickou analýzu a snadné

manipulaci. Drosophila má 4 páry chromosomů, k rekombinaci dochází jen při vzniku

samičích zárodečných buněk, nikoli u samčích. Haploidní genom má 1,65 x 108 pb (asi

dvacetina lidského genomu). K oplození dochází v oviduktu, vajíčko je tedy kladeno jako

diploidní, vyvíjejí se přes larvu (se třemi instary) a kuklu v dospělé jedince. Rýhování vajíčka

drozofily je bez buněčného rýhování (časné embryo je tedy mnohojaderné, zpočátku

pravidelně rozmístěné syncytium). V průběhu 9. mitotického cyklu (každá mitóza trvá jen 9

minut) jádra migrují k povrchu vajíčka (zvanému periplazma) a tvoří se tak syncytiální

blastoderm. Na posteriorním pólu embrya se některá jádra obalí plazmatickou membránou

tvoří první odlišné buňky (pólové): jsou to buňky zárodečné, později se vyvinou v oocyty

nebo spermatozoa uvnitř pohlavních orgánů. Po 14. dělení jader se vytvoří kolem jader

11

v syncitiálním blastodermu buněčné membrány, buněčný blastoderm. Vnitřek embrya je

vyplněn výživovým žloutkem s několika jádry. Embryo se poté promění v mnohovrstevnou

strukturu procesy ohýbání, expanze a kontrakce odlišných oblastí buněčné vrstvy (první je

výrazný záhyb oddělující budoucí hlavu). Výsledkem těchto procesů je segmentované

stádium zárodečných proužků (8 hodin staré embryo). Také se vytvářejí vnitřní struktury jako

střevo, nervový systém a svalovina. Základní plán těla je již viditelný: anterorně – posteriorní

osa, dorzálně – ventrální osa a článkovaná struktura. Po dalších čtrnácti hodinách vývoje se

vylíhne larva prvního instaru (instar je stádium larválního vývoje hmyzu mezi dvěma

svlékáními), složená z výrazných článků (oddělených přepážkami). Tyto články se od sebe

liší, štíhlé hrudní (thoracic segments, T1 až T3) až široké zadečkové (abdominal segments, A1

až A8). Na přídi těla je část hlavová (H), na konci kaudální (C). Larva roste, pak se zakuklí,

podrobí metamorfóze, která ústí v dospělou formu.

Polytenní chromozomy

Replikace chromozomální DNA, v některých larválních tkáních (slinné žlázy)

nedochází k mitóze, kopie DNA zůstávají pohromadě a tvoří obří chromozomy.

Barvení Giemsou - vznik tmavých a světlých proužků. Počet proužků je skoro tak

veliký jako počet genů (proužky obsahují kolem 25 kb DNA).

Morganovo „první křížení“

Brzy poté, co byly znovuobjeveny Mendlovy zákony, bylo zjištěno, že ne všechny

geny segregují nezávisle. Jako první si toho všimli Bateson a Punnett, jež získali údaje

z dihybridního křížení u genů ovlivňujících barvu květu a tvar semen hrachu, jež

nevyhovovalo předpovězenému Mendelovu poměru 9:3:3:1. První podrobnou analýzu

provedl Thomas Hunt Morgan s drozofilou. Aby zminimalizoval proměnné, vybral zpětné

neboli testovací křížení mezi mouchami, u nichž samice byly heterozygotní na 2 lokusy, geny

purple (pr)a vestigial (vg) (jeden postihující barvu oka, druhý tvar křídla) a samec byl

homozygotní v obou mutovaných genech. Mutantní alely jsou značeny pr a vg a alely

divokého typu jako pr+ a vg+. Sledujeme-li segregaci alel u jejich potomků, měl by být

v případě volné kombinovatelnosti poměr 1 pr+pr vg+vg : 1 pr+pr vgvg : 1 prpr vg+vg : 1 prpr

vgvg. To znamená, že jedna čtvrtina potomků bude mít oba dominantní znaky (pr+ vg+ ), jedna

čtvrtina dominantní znak pr+ a recesivní znak vg, jedna čtvrtina recesivní znak pr a

dominantní znak vg+ a zbývající jedna čtvrtina ponese oba recesivní znaky (pr i vg). Pokud

12

jsou však geny lokalizovány na stejném chromosomu, není volná kombinace alel možná díky

vazbám mezi dominantními alelami pr+ a vg+ a recesivními alelami pr a vg a segregační

poměr se výrazně změní.

"precross"          pr+pr+ vg+vg+     x    prpr vgvg

/

/

 backcross                pr+pr vg+vg    x    prpr vgvg

                           (females)      |    (males)

                                          |

                                         ▼

 potomci        pr+pr vg+vg,   pr+pr vgvg,    prpr vg+vg,      prpr vgvg

 fenotyp        wild type    red, vestigial purple, normal  purple,vestigial

 očekávaný poměr     1      :        1      :       1       :      1

V tabulce jsou uvedeny skutečné a očekávané počty potomků:

Fenotyp Samičí gamety Pozorovaný počet

Očekávaný poč.

divoký typ pr+, vg+ 1339 709.75

red, vestigial pr+, vg 151 709.75

purple, normal pr, vg+ 154 709.75

purple, vestigial pr, vg1195

709.75

I bez statistiky je zřejmé, že výsledek je vzdálený Mendelovu očekávání.

Z tabulky je však patrné, že dihybrid netvoří pouze gamety pr+, vg+ a pr, vg, ale

v menším množství i gamety pr+, vg a pr, vg+, které by kvůli vazebným dvojicím v

genotypech rodičů neměly vzniknout. To ovšem platí pouze v případech, kdy jsou geny na

chromosomu velmi blízko sebe (v tzv. těsné vazbě). S vysvětlením tohoto rozporu přichází

13

opět Thomas Morgan. Ten zjistil, že gamety se sestavou vázaných alel, která je odlišná od

rodičovské sestavy, vznikají pouze tehdy, jestliže došlo k jejich rekombinaci. Mechanismus

této rekombinace je crossing – over, to je výměna bloků nesesterských chromatid. Mezi

dvěma lokusy téhož chromosomu nesoucími dva různé geny je vznik crossing – overu tím

pravděpodobnější, čím jsou od sebe tyto lokusy více vzdáleny. Silou vazby mezi dvěma geny

rozumíme pravděpodobnost vzniku crossing – overu v oblasti, která je vymezena těmito geny.

Čím jsou geny umístěny k sobě blíže, tím je vazba silnější, protože pravděpodobnost vzniku

crossing – overu v dané oblasti klesá se zmenšováním její délky.

Čím blíže jsou dva geny, tím je více pravděpodobné, že se budou dědit v rodičovské

kombinaci. Lze to kvantifikovat. Definujeme Rekombinační frakci (Recombination

Fraction), theta.

= (počet rekombinantů) / (celkový počet potomků)

Theta musí být v rozmezí od 0 do 0,5. Hodnota 0 znamená, že geny jsou tak blízko, že nikdy

nerekombinují, 0,5 znamená, že geny ve vazbě nejsou. V našem případě rekombinační frakce

mezi geny purple a vestigial je

(151+154) / (1339+151+154+1195) = 0.107

Protože jsou geny organizovány podél lineární struktury (molekuly DNA) lze

očekávat, že měřením frekvence rekombinace získáme lineární mapu. Genetickou vzdálenost

vyjádříme jako frekvenci rekombinace. Mapová jednotka odpovídá 1% rekombinace a byla

nazvána centiMorgan na počest Thomase Hunta Morgana. Geny purple a vestigial jsou tedy

od sebe vzdáleny 10,7 cM.

Dědičnost křížem

K dědičnosti křížem dochází tehdy, je-li určitý gen uložen v nehomologickém úseku

chromozomu X, tedy párového pohlavního chromozomu. U octomilek je to například gen,

který řídí barvu povrchu složeného oka. Jeho standardní dominantní alela, označována

zpravidla jako +, určuje červené zabarvení; mutačním procesem vzniká z této standardní alely

mnohočetná série alel, z nichž recesivní alela w odpovídá za bílé zbarvení oka. Křížíme-li

homozygotní samičku se standardní červenou barvou oka s bělookým samečkem, je generace

F1 uniformní a červenooká. V generaci F2 vyštěpují jedinci červenoocí a běloocí v poměru 3

: 1. Bělooká čtvrtina potomstva jsou však pouze samečkové, tj. jedinci heterogametického

14

pohlaví; recesivní alela se zde fenotypově vyjadřuje vzhledem ke svému hemizygotnímu

stavu.

Odlišné výsledky získáváme při křížení homozygotní bělooké samičky s červenookým

samečkem. Zde v generaci F1 potomstvo štěpí v poměru 1 : 1; samičky jsou červenooké (s

dominantním znakem), samečkové běloocí (s recesivním znakem). V generaci F2, kterou

získáváme jejich vzájemným křížením, dojde ke štěpení 1 : 1 u každého pohlaví: polovina

samiček i samečků bude červenookých, polovina brlookých. Je-li tedy sledovaný gen umístěn

v nehomologickém úseku párového pohlavního chromozomu a je-li jedinec

homogametického pohlaví recesivního fenotypu (tj. homozygotně recesivního genotypu)

křížen s jedincem heterogametického pohlaví dominantního fenotypu, dochází k projevu

takzvané dědičnosti křížem. Při dědičnosti křížem vykazuje znak homogametického rodiče

heterogametické potomstvo a znak heterogametického rodiče potomstvo homogametické. Při

tomto typu vazby na pohlaví neplatí tedy zákon o uniformitě generace F1 a o identitě

reciprokého křížení. V jednom směru křížení je potomstvo uniformní, v druhém však

vykazuje štěpení v poměru 1 : 1, znak „matky“ dědí „syn“, znak „otce“ dědí „dcera“.

P: červenooká samička x bělooký sameček

XX XY

+ + w

F1: XX XY

+ w + (uniformní červená barva očí)

F2: XX XX XY XY

+ + + w + w

červená červená červená bílá

15

P: bělooká samička x červenooký sameček

XX XY

w w +

F1: XX XY

w + w (♀ má červené oči, ♂ má bílé oči)

F2: XX XX XY XY

w w + w w +

bílá červená bílá červená

■ Závěr

Vypracovávání této práce pro mě mělo mnoho přínosů. Naučil jsem se zpracovávat

text z velkého množství zdrojů, často cizojazyčných. Dále jsem během získávání podkladů

pro tuto práci zjistil, že je prakticky nemožné najít ucelený český text, zabývající se takto

vyhraněným tématem, což mě donutilo používat internetu, jako hlavního zdroje aktuálních

informací. Nahlédl jsem hlouběji do tajů genetiky, kde mě nejvíce zaujaly statě o

homeotických genech, které mi pomohly pochopit, jak silný je vztah mezi genetikou a

evolucí, a také to, že všechny geny si nejsou rovnocenné, tudíž že existují geny řídící, které

ovládají geny jim podřízené, a to tak že se starají o správné načasování a lokalizaci

proteosyntézy jim podřízených genů v nově vznikajícím organismu, a tím pak zcela zásadně

ovlivňují morfologii tohoto individua. Pochopil jsem procesy, pomocí kterých dochází

16

k přenosu genetické informace na potomstvo a z nich vyplývající variabilitu nové generace.

Díky novým poznatkům z oboru genetiky se můj zájem o tento vědní obor ještě zvýšil.

■ Příloha

Příklady mutací u Drosophily melanogaster

Mutace Sym-bol

Ovlivněná část

Genotyp Lokalizace na chromozomu

Viditelnost

Bar B očiZůžené na vertikální proužek, u heterozygotů je znak intermed.

1 – 57 , 0 velmi dobrá

forked f chloupky na hrudi kratší, zvlněné

1 – 56, 7 dobrá

miniature m křídla menší a kratší 1 – 36, 1 velmi dobrá

vermilion v oči jasně červená 1 – 33, 0 poměrně dobrá

wavy wy křídla transverzálně zvlněná

1 – 41, 9 dobrá

yellow y tělo žluté, včetně chloupků

1 – 0, 0 výborná

apterous ap křídla redukce na rudimenty

2 – 55, 2 výborná

brown bw oči světle hnědé 2 – 104, 5 poměrně dobrá

cinnabar cn oči jasně červené, stářím tmavnou

2 – 57, 5 poměrně dobrá

dumpy dp křídla šikmo zkosená, reduk. na 2/3

2 – 13, 0 dobrá

purple pr oči rubínové až nachové

2 – 54, 5 poměrně dobrá

vestigial vg křídla velmi zakrnělá 2 – 67, 0 velmi dobrá

17

ebony e tělo černé 3 – 70, 7 výborná

sepia se oči tmavě hnědé 3 – 26, 8 dobrá

scarlet st oči jasně červené (šarlachové)

3 – 44, 0 poměrně dobrá

eyeless ey oči velmi redukované

4 – 2, 0 poměrně dobrá

Obr. 1: Thomas Hunt Morgan (25.9 1866 – 4. 12. 1945)

18

Obr. 2: Gonozomy X a Y se znázorněním homologických částí a

chybějící části gonozomu Y

Obr. 3: Drosophila s červenou a bílou barvou očí

19

Obr. 4: Zobrazení části polytenního chromozomu drozofily

20

Obr. 5: Schéma dědičnosti křížem

21

Obr. 6: Očekávaný výsledek zpětného neboli testovacího křížení

Obr. 7: Skutečný výsledek testovacího křížení

22

Obr. 8: Vysvětlení rekombinace crossing – overem

23

Obr. 9: Vysvětlení chromozomové vazby

Obr. 10: Schéma sexuálně vázané dědičnosti 1

24

Obr. 11: Schéma sexuálně vázané dědičnosti 2

Obr. 12: Znázornění crossing – overu během meiózy

25

Obr. 13: Podrobnější znázornění genu

Obr. 14: Zobrazení segmentace embrya Drosophily melanogaster

26

Obr. 15: Segmentace embrya závislá na homeotických genech

27

Obr. 16: Hlava divokého typu octomilky v porovnání s Antennapedním mutantem, u kterého

jsou tykadla nahrazena párem nohou

Obr. 17: Skenovací elektronmikrografie hlavy octomilky s přídavným okem na tykadle, čehož

bylo dosaženo cílenou expresí genu eyless v imaginárním terčku larvy drozofily

28

Obr. 18: Oči indukované na nohách cílenou expresí dvojicí eyless genů

29

Obr. 19: Příklad makromutace u ropuchy. Mutace se projevila nesprávnou lokalizací očí

v dutině ústní.

Literatura

1. J. Nečásek, I. Cetl a kolektiv (1984) Obecná genetika, Stát. pedagog. nakl. Praha

2. Jan Šmarda (2003) Genetika pro gymnázia, nakl. Fortuna, Praha

3. Radim Šrám a kolektiv (1987) Dědičnost a člověk, Stát. pedagog. nakl. Praha

4. Boris Vyskot (1999) Přehled vývoje biologie a genetiky, Ústav molek. gen. AV ČR

5. E. Kočárek (2004) Genetika pro gymnázia, Sciencia, s. r. o., pedagog. nakl., Praha

6. R. Weinlich (1999) Laureáti Nobelovy ceny za fyziologii a lékařství, Olomouc, Alda

7. Steve Jones, Borin van Loon, (2003) Genetika, Portál, s. r. o., Praha

8. Jiřina Relichová (1997) Praktická cvičení z genetiky, Masarykova univerzita V Brně

30

9. V. Pačes (1998) 5. výroční přednáška k poctě J. L. Fischera, Univ. Palackého, Olom.

Internetové adresy

1. http://www.columbia.edu/cu/alumni/Magazine/Morgan/morgan.html

2. http://genetika.wz.cz/

3. http://www.learner.org/channel/courses/biology/textbook/gendev/gendev_6.html

4. http://www.entu.cas.cz/fyziol/students/lecture7.html

5. http://starklab.slu.edu/

6. http://images.google.com/images?q=sex-linked

7. http://www.answers.com/topic/thomas-hunt-morgan

8. http://www.columbia.edu/cu/21stC/issue-1.3/dna-homeo.html

9. http://www.biozentrum.unibas.ch/gehring/gehring_pictures.html#

31