ISPITNA PITANJA IZ PRINCIPA GENETIKE

I

1. Priroda genetičkog materijala2. Replikovanje genetičke informacije kod

prokariota i eukariota3. Promenljivost genetičke informacije4. Struktura gena prokariota i eukariota 5. Ekspresija gena prokariota i eukariota6. Genetička osnova polne i bespolne

reprodukcije organizama7. Promene na genetičkom materijalu tokom

ćelijskog ciklusa8. Genske mutacije9. Hromozomi prokariota i eukariota10. Struktura i funkcija hromatina 11. Pojam kariotipa12. Numeričke hromozomske mutacije13. Strukturne hromozomske mutacije14. Mendelova teorija nasleđivanja; Mendelova

pravila15. Modifikacije Mendelovih odnosa;

promenljivost dominanse16. Modifikacije Mendelovih odnosa; letali,

plejotropizam, penetrantnost i ekspresivnost17. Modifikacije Mendelovih odnosa; polno

vezani geni18. Modifikacije Mendelovih odnosa; vezano

nasleđivanje i rekombinacije19. Modifikacije Mendelovih odnosa; interakcije

između gena20. Vanjedarno nasleđivanje

II

21. Distribucija sekvenci DNK u genomu22. C – vrednost i evolutivna složenost

organizama23. Mobilni genetički elementi eukariota24. Regulacija genske ekspresije kod prokariota

i eukariota25. UV zračenje i njegov genotoksični efekat26. Fizički mutageni, mehanizmi njihovog

delovanja na nasledni materijal 27. Hemijski agensi i njihov genotoksični efekat28. Biološki mehanizmi reparacije oštećenja

molekula DNK i njihov značaj 29. Primena tehnologije rekombinantne DNK30. Genetička osnova imunog odgovora31. Genetička varjabilnost antitela. Somatske

rekombinacije gena32. Dozna kompenzacija. Inaktivacija

hromozoma33. Genetička determinacija razvića pola34. Genetička kontrola razvića i diferencijacije

35. Promene na genetičkom materijalu tokom starenja

36. Genetička uslovljenost kancera; protoonkogeni i tumor-supresor geni

37. Mehanizmi aktivacije protoonkogena38. Genetička uslovljenost kancera;

retrovirusi

III

39. Genetička varijabilnost prirodnih populacija organizama

40. Parametri kvantifikovanja genetičke raznovrsnosti u genofondu

41. Genetička struktura populacije. Populacija u ravnoteži

42. Sistemi parenja i njihove populaciono – genetičke posledice

43. Obim i dinamika promena u genofondu kao posledica mutacija

44. Obim i dinamika promena u genofondu kao posledica migracije

45. Delovanje i efekat prirodne selekcije; favorizovanje heterozigota

46. Delovanje i efekat prirodne selekcije; selekcija protiv recesivnog i dominantnog alela

47. Adaptivna vrednost i koeficijent selekcije

48. Slučajne promene učestalosti alela u populaciji. Genetički drift

49. Kontinualno variranje osobina50. Komponente fenotipske i genotipske

varijabilnosti kvantitativnih osobina51. Norma reakcije genotipa52. Heritabilnost kvantitativnih osobina u

širem smislu53. Načini određivanje koeficijenta

heritabilnosti i njegovo kvantifikovanje54. Veštačka selekcija. Promena srednje

vrednosti i varijanse55. Procena toka veštačke selekcije

putem heritabilnosti56. Promene srednje vrednosti i varijanse

tokom inbridinga57. Inbriding depresija i heterozis 58. Veštačka selekcija i komponente

adaptivne vrednosti59. Pristupi izučavanju genetičke

uslovljenosti ponašanja60. Genetička uslovljenost ponašanja

čoveka 61.

1. Priroda genetičkog materijala

Genetički materijal je sadržan u nukleinskim kiselinama – DNK i RNK. Kod većine organizama i virusa nasledna informacija se nalazi u DNK. Kod nekih virusa nosilac naslednih informacija je RNK.

U nukleusu eukariota se nalaze hromozomi, koji se sastoje od linearnih molekula dvolančane DNK, asociranih sa pozitivno naelektrisanim proteinima histonima. U hromozomima se nalaze nasledne informacije.

Hromozomi bakterija, koji se nalaze u citoplazmi, su uglavnom cirkularni molekuli dvolančane DNK, takođe ponegde asocirani sa proteinima. Isto važi i za organele eukariota, mitohondrije i hloroplaste, koje vode poreklo od prokariotskih ćelija. Pored hromozoma, koji nose neophodne nasledne informacije bakterija, u ćeliji se mogu naći i vanhromozomski molekuli DNK, plazmidi (epizomi), takođe uglavnom cirkularni molekuli dvolančane DNK, koji nose dodatne informacije, koje karakterišu dati soj.

Svi DNK molekuli (i hromozomski i vanhromozomski) i prokariota i eukariota se autonomno repliciraju radi prenosa nepromenjenih naslednih informacija narednim generacijama (vertikalni prenos). Postoje i slučajevi horizontalnog prenosa naslednih informacija (konjugacija bakterija....).

Kod virusa, nosilac naslednih informacija može biti jednolančana i dvolančana, linearna i cirkularna DNK, kao i jednolančana i dvolančana, samo linearna, RNK. Virusna RNK se replicira ili preko DNK, pomoću reversne transkriptaze (RNK zavisna DNK polimeraza) ili direktno preko RNK, pomoću replikaze (RNK zavisna RNK polimeraza).

Ključni momenat u potvrdi da su nukleinske kiseline nosioci naslednih informacija su experimenti Grifita, zatim Averija, Makleoda i Mekartija (Pneumokokus) i najzad Heršija i Čejsove (radioaktivno obeležavanje kapsida i DNK faga). Potvrdu o metaboličkoj stabilnosti DNK dali su Braše i Kasperson. U nepatološkim stanjima svi živi organizmi i virusi poseduju konstantnu količinu naslednog materijala.

Informacija u nukleinskim kiselinama je zapisana u vidu kodona, tripleta nukleotida, od kojih svaki šifruje po jednu AK od 20 mogućih. Genetički kod je izrođen, što podrazumeva da svaka kombinacija od tri nukleotida kodira jednu AK, pa neke AK kodira jedan triplet, a neke šest tripleta. Raspored je takav da, npr., ako jednu AK kodira 4 tripleta, tada će se oni razlikovati samo u trećoj bazi; zatim, ako dve AK imaju kodone sa iste prve dve baze, tada će na trećem mestu kod jedne biti Pu, a kod druge Py. Kôd Mitohondrija je malo drugačiji u odnosu na ostale prokariote i eukariote.

Dupli helix DNK može postojati u nekoliko tipova: A, B, Z.... Strukturu DNK znate.... Dodati priču iz ostalih poglavlja, ako je potrebno.

2. Replikovanje genetičke informacije kod prokariota i eukariota

Molekuli nukleinskih kiselina imaju sposobnost autonomne replikacije. Potrebno je da se obavi jedna precizna replikacija u ćeliji, čime se dobija još jedan genomski set (ukupno dva), za ćerke ćelije. Model replikacije DNK je semikonzervativan, što znači da po jedan roditeljski lanac služi kao matrica za sintezu novog lanca – tako nastaju dva dvolančana molekula, sa po jednim starim i jednim novosintetisanim lancem. Replikacija je i diskontinuirana, što znači da se jedan lanac sintetiše kontinuirano, a drugi u fragmentima, koji se naknadno spajaju.

Kod bakterija replikacija obično počinje u regionu ori, tzv. oridžinu replikacije, od koga kreću dve replikacione viljuške u suprotnim pravcima. U toku napredovanja replikacionih viljuški ka terminusima replikacije, na novosintetisanim molekulima DNK se mogu javiti nove replikacione viljuške. Razlog je to što je proces replikacije dugotrajniji od vremena generacije, pa se na taj način postiže uspešna distribucija novih molekula DNK, jer replikacija DNK za unuku ćeliju praktično otpočinje u prabaki ćeliji, dok se replikacija za baku ćeliju privodi kraju. Ključni enzimi replikacije su DNK zavisne DNK polimeraze, koje vrše polimerizaciju u 5ž 3ž pravcu. Kod prokariota postoje tri polimeraze, koje se međusobno razlikuju u tome da li vrše, i u kom pravcu, editorsku (proofreading) egzonukleaznu funkciju. Karakteristika svih polimeraza je da polimerizaciju mogu da vrše samo na 3ž kraju već postojećeg lanca, bio on DNK ili RNK. Zato se na odgovarajućim mestima sintetišu RNK prajmeri, od kojih počinje polimerizacija DNK.

Proces replikacije počinje tako što topoizomeraza odvija lance u regionu ori, za koji se zatim vezuju molekuli proteina DnaA. Zatim DnaC dovodi helikazu (DnaB), koja raspliće lance. Za njih se odmah vezuju SSB proteini. Kada helikaza razdvoji dovoljan broj baza i napravi prostor, vezuje se primaza (DnaG), koja sa helikazom formira primozom. Primaza formira jedan prajmer za vodeći lanac i, tokom kretanja replikativne viljuške, niz prajmera za sintezu zaostajućeg lanaca. Formira se replizom koga čine helikaza, primaza, DNK polimeraza III koja sintetiše vodeći lanac i DNK polimeraza III koja sintetiše Okazakijeve fragmente, počevši od prajmera koje je postavila primaza. Nastanak novog lanca istiskuje SSB proteine. DNK polimeraza I se kreće iza replizoma i svojom egzonukleaznom aktivnošću uklanja RNK prajmere i ugrađuje dezoksiribonukleotide. Ligaza spaja Okazakijeve fragmente. Žiraza stalno relaxira cirkularnu DNK i time olakšava kretanje replizoma. Do terminacije replikacije dolazi u ter regionu.

Za neke epizome, virusne genome i genome organela karakterističan je rolling circle model replikacije. U ovom modelu se prvo sintetiše jedan lanac, i to tako što novonastali lanac istiskuje jednolančani 5ž kraj starog lanca iz cirkularnog molekula. Istisnuti stari lanac služi kao matrica za sintezu novog lanca, čime se dobijaju dva cirkularna DNK molekula.

2

Kod eukariota, replikacija ima definisano mesto u ćelijskom ciklusu i to je S faza interfaze. Heterohromatski regioni, koji su siromašni genima ili su trenutno neaktivni se repliciraju kasnije u odnosu na euhromatin. Kod linearnih molekula DNK eukariota replikacija počinje na nekoliko mesta, tzv. ARS-ova (autonomous replicating sequence), koji predstavljaju oridžine replikacije. I ovde nastaju dve replikativne viljuške koje se kreću u suprotnim pravcima. Region DNK između dva mesta fuzije dve susedne replikativne viljuške, u centru kog je oridžin replikacije, se naziva replikon. Obzirom da je DNK asocirana sa histonima, i novonastali molekuli se asociraju sa histonima, koji se koordinisano sintetišu. Kod eukariota postoji 5 DNK polimeraza – , , , , . polimeraza se nalazi u mitohondrijama i učestvuje u replikaciji mtDNK. Polimeraza sintetiše Okazakijeve fragmente, a polimeraza polimerizuje vodeći lanac. Polimeraza funkcioniše slično DNK polimerazi I prokariota. Polimeraza učestvuje u reparaciji.

SV40 je poslužio kao model za utvrđivanje molekularnog mehanizma replikacije eukariota. Za oridžin replikacije se prvo vezuje T-antigen (helikaza), a zatim i RF-A (analog SSB) i RF-C (ATP-aza). Zatim se vezuju primaza i polimeraza . Sintetišu se prajmeri i počinje sinteza Okazakijevih fragmenata. poslednja se vezuje polimeraza koja počinje sintezu vodećeg lanca. Do završetka replikacije dolazi na telomerama. Ovde postoji problem replikacije 5ž krajeva, sa kojih su skinuti RNK prajmeri. Ovaj problem kod protozoa rešava telomeraza, RNP komplex, koji sadrži sekvencu RNK, komplementarnu ponovljenoj sekvenci na telomerama hromozoma. Na osnovu te RNK sekvence telomeraza produžava 3ž kraj roditeljskih lanaca, na osnovu kojih se sintetišu RNK prajmeri i DNK polimeraza završava replikaciju. Uklanjanjem tih prajmera opet ostaju nereplicirani ("viseći") jednolančani 3ž terminusi, ali se originalna dužina hromozoma nije smanjila.

Replikaciju genoma retrovirusa vrši reversna transkriptaza. (+)RNK genom iz virusa dospeva u ćeliju. Zatim se jedna od domaćinovih tRNK vezuje blizu 5ž kraja i služi kao prajmer za sintezu 3ž LTR od dezoksiribonukleotida. Nastali 3ž LTR se premešta na 3ž kraj istog RNK molekula i služi kao prajmer za sintezu ()DNK, na osnovu koje se sintetiše (+)DNK. Nastala je dvolančana DNK koja se integriše u genom. Novi (+)RNK molekuli koji treba da se spakuju u virion će se dobiti običnom transkripcijom integrisanog regiona.

5ž LTR 3ž LTR (+)RNK

tRNK

()DNK

RNK genomi bakteriofaga se repliciraju pomoću replikaze. Po dospevanju u bakterijsku ćeliju, počinje translacija sa virusne (+)RNK, čime se razara sekundarna struktura i oslobađaju oridžini replikacije sa kojih replikaza počinje sintezu ()RNK lanaca.E ,ako treba još nešto....

3. Promenljivost genetičke informacije

Naslednim informacijama je inherentno da budu nepromenjive, da bi se takve prenele narednim generacijama. Sa druge strane, genetički materijal nije nepromenjiv i baš ta promenljivost je bitan faktor evolucije. Osim promena koje se mogu desiti spontano, tu su i promene indukovane fizičkim, hemijskim i biološkim agensima. Sve promene utiču na broj, strukturu i expresiju gena.

Postoje dva osnovna tipa promena naslednih informacija:A. Genetički materijal se ne menja, ali pri njegovoj expresiji dolazi do promena. U pitanju su greške pri

transkripciji, obradi (splajsovanju i editovanju) RNK i translaciji. Dakle, promene se ne prenose narednim generacijama. Znate priču o navedenim procesima. Ponoviti rekombinaciju...

B. Dolazi do promena genetičkog materijala, koje će naslediti naredne generacije. U pitanju su greške u procesima replikacije, rekombinacije, zatim promene u broju i strukturi hromozoma i epizoma, kao i procesi transformacije, konjugacije, transdukcije i transfekcije. Spontane i indukovane mutacije se podrazumevaju. Organizmi su razvili sisteme kojima se suprotstavljaju promenama genetičkog materijala, a to su editorska funkcija DNK polimeraza, enzimi rekombinacije, reparacioni enzimi, restrikcione endonukleaze. Osnova većine spontanih promena i onih indukovanih biološkim agensima je rekombinacija (transformacija, transfekcija, konjugacija, transdukcija, promene u strukturi hromozoma). Za promene u broju hromozoma i epizoma zaslužne su greške pri deobi ćelije. I ovu priču znate....

3

4. Struktura gena prokariota i eukariota

Geni prokariota i eukariota nose informacije za sintezu proteina i RNK.Geni prokariota i organela koji kodiraju proteine – strukturni geni – sadrže sekvence neophodne za

vezivanje ribozoma i proteinskih faktora translacije, zatim slede kodoni i na kraju se nalazi nekodirajuća sekvenca. Pomenuti elementi se transkribuju u iRNK, koja će translacijom dati jedan polipeptid. Postoje i elementi koji su deo gena, ali se ne transkribuju, a to su promotorski regioni (regioni 35 i –10 – Pribnovljev blok) i regioni terminacije transkripcije. Geni prokariota i organela ne sadrže introne, već je kodirajuća informacija neprekinuta. Geni za rRNK i tRNK umesto niza kodona sadrže niz nukleotida, pomoću kojih će data RNK zauzeti adekvatnu konformaciju.

Geni eukariota su diskontinuirani – kodirajući deo čine exoni, koji su razdvojeni intronima. Dužina exona je ujednačena, dok dužina introna dosta varira. Sekvence exona su dosta konzervativne, za razliku od intronskih sekvenci. Smatra se da je uloga introna da "razblaže" kodirajaću sekvencu, tako da ne može doći do rekombinacije između homologih hromozoma u jedru (osim u mejozi) – postiže se da ne postoji minimalna dužina homologih sekvenci za formiranje stabilne Holidejeve strukture. Osim kodirajuće sekvence, tu su, takođe, i 5ž i 3ž nekodirajući nizovi, koji se transkribuju, a i delovi koji se ne transkribuju – promotorski (TATA box) i ostali regulatorni elementi (enhenseri, sajlenseri).

Kod eukariota je, doduše retko, prisutna i pojava preklapanja gena i gena unutar gena. Takođe, alternativnom obradom RNK, isti gen može dati više proteinskih produkata. Geni za histone nemaju introne. Osim tRNK i rRNK, eukarioti imaju i gene za snRNK (U1 – U7), koje učestvuju u splajsovanju, i gen za 7S RNK, koja je deo signalne partikule za prepoznavanje.

Valjda je to sve....

5. Ekspresija gena prokariota i eukariota Ekspresiju gena čine transkripcija i translacija. Transkripcija je prepis genetičke informacije sa DNK u

RNK. Translacija je prevođenje sekvence nukleotida iRNK u polipeptidni niz. Većina faza ovih procesa zahteva utrošak NTP-a (u smislu energije, ne kao materijal za polimerizaciju).

Transkripcija se odvija u 5ž 3ž smeru. Transkripciju katalizuju RNK polimeraze (DNK zavisne RNK polimeraze). Polimerizacija se vrši bez prajmera, a RNK polimeraze nemaju editorsku funkciju. Postoji jedna RNK polimeraza koja transkribuje sve gene kod prokariota, a kod eukariota postoje tri RNK polimeraze: RNK polimeraza I prepisuje gene za rRNK (osim 5S), RNK polimeraza II prepisuje strukturne gene i gene za neke snRNK, a RNK polimeraza III prepisuje gene za tRNK, 5S rRNK i ostale snRNK.

Translacija se takođe odvija u 5ž 3ž smeru, a polipeptidni niz raste u N C smeru. U translaciji učestvuju ribozomi i tRNK. Ribozomi su RNP čestice koje se sastoje od dve subjedinice. tRNK su donosioci AK. AK dospevaju na tRNK pomoću enzima aminoacil-tRNK sintetaza. Iako postoji 61 kodan za 20 AK, ne postoji 61 različita tRNK. Razlog za to je kolebanje kodona, tako da ista tRNK može prepoznati više kodona, koji obično šifruju istu AK. Ribozomi služe za dovođenje u kontakt kodona na iRNK i antikodona na tRNK, koje nose AK. Takođe, ribozomi katalizuju nastanak peptidne vrze između dve AK.

Expresija prokariotskih gena. Na –35 (TTGACA) i –10 (TATAAT) od početka transkripcije se nalaze ključne promotorske sekvence, neophodne za prepoznavanje i pravilnu orijentaciju enzima. Za prepoznavanje promotorske sekvence od strane RNK polimeraze neophodan je faktor (to je svojevrstan regulator expresije, jer postoji više faktora koji prepoznaju različite promotore). RNK polimeraza se u regionu –35 vezuje za dvolančanu DNK, a u regionu –10 dolazi do razdvajanja lanaca, između kojih se umeće enzim. Elongacija počinje transkripcijom DNK i posle polimerizacije nekoliko ribonukleotida faktor se odvaja. Kretanje RNK polimeraze raspliće DNK. Eventualno formiranje petlje u nastaloj RNK može dovesti do spadanja lanca sa enzima. Na tome se i zasniva -nezavisna terminacija. Na 3ž nekodirajućem kraju nalaze se dve simetrične sekvence koje se posle transkripcije sparuju i prave petlju koja izazaiva spadanje RNK sa enzima i spadanje enzima sa DNK. -zavisna terminacija se zasniva na proteinskom faktoru, koji interaguje sa RNK polimerazom i izaziva spadanje enzima sa DNK.

iRNK prokarita je policistronska jer sadrži prepis nekoliko susednih gena. Svaki od njih ima svoje signale za inicijaciju i terminaciju translacije, čime se omogućava brza produkcija velikih količina potrebnog proteina. pre-rRNK i pre-tRNK podležu minimalnoj obradi – iskrajanju, posle čega su funkcionalne.

Sledeći nivo expresije strukturnih gena je translacija. Obzirom da prokarioti nemaju jedro, na 5ž kraj iRNK se već mogu zakačiti ribozomi, iako je 3ž kraj još uvek u fazi polimerizacije – transkripcija i translacija su kuplovane. Ribozomi prokariota su 70S. Veća subjedinica (50S) sadrži 23S i 5S rRNK, a mala (30S) 16S rRNK. Svaku subjedinicu čini oko 50% proteina i 50% rRNK.

I u translaciji učestvuje određen broj proteinskih faktora. Ribozom se vezuje za Šajn-Dalgarnov niz posle čega dokliza do prvog (Met) kodona. Ribozom se pomera za po jedan kodon, posle čega peptidil-tRNK dospeva iz A mesta u P mesto. Ovaj proces traje do nailaska na stop kodon, posle čega faktori terminacije izazivaju razdvajanje subjedinica ribozoma i oslobađanje peptida se tRNK.

Expresija eukariotskih gena. Spektar regulatornih elemenata kod eukariota je širi. Ima ih uzvodno i nizvodno od gena, pa i u samim genima. Oni mogu biti pozitivni i negativni. Za njih se mogu vezivati razni

4

proteinski faktori, transkripcioni i regulatorni (trans-elementi). Promotorski elementi nisu na strogo definisanim pozicijama; imamo TATA box na –30, CAAT na –80, GC box na –120....Određeni promotorski elementi kontrolišu samo određene gene (tkivno specifične, housekeeping,....). Enhenseri i sajlenseri (cis-elementi) su mnogo udaljeniji od gena i vrše pozitivnu, odnosno negativnu regulaciju transkripcije datih gena. Način njihovog funkcionisanja je sledeći: za enhenser se vezuje određeni proteinski faktor, koji interaguje sa proteinskim faktorima na promotoru i to tako što DNK između njih formira petlju.

enhenser promotor

Za inicijaciju transkripcije su neophodni transkripcioni faktori. Svaka RNK polimeraza ima svoj set neophodnih faktora (TFI, TFII, TFIII). Oni prepoznaju specifične promotore i omogućuju vezivanje RNK polimeraze, ali takođe prepoznaju i terminacione signale i omogućuju spadanje enzima sa DNK i oslobađenje pre-iRNK. Eukariotska pre-iRNK sadrži prepis samo jednog strukturnog gena.

Pre-iRNK podleže obradi koja će dati zrelu iRNK. Prvo se dodaje 5ž šeširić (m7Gpp), a zatim na 3ž kraju dolazi do poliadenilacije. Šeširić je neophodan za vezivanje ribozoma, a poli(A) niz stabilizuje iRNK i produžava joj trajanje – tako što je štiti od degradacije RNKazama. Sledeći nivo obrade je isecanje introna i spajanje exona. Granice introna i exona su konzervirane i na osnovu njih se vrši diskriminacija nukleotida koji će biti povezani. snRNK (U1 – U6) formiraju RNP kompleks (spajsozom) koji prepoznaje granice introna i exona i vrši isecanje exona. Kod nekih eukariota ovo je poslednji nivo obrade i posle ovoga je iRNK zrela za translaciju. Kod nekih protozoa postoji još jedan nivo obrade, tzv. editovanje (priprema za translaciju); u ovom procesu se u iskrojenu RNK dodaju pojedini nukleotidi na osnovu sekvence tzv. gRNK (guide – RNK), posle čega se data RNK može smatrati zrelom.

I kod eukariota se rRNK i tRNK minimalno obrađuju. Doduše, pre-rRNK nekih organizama sadrže introne. Nek od njih se sami isecaju iz rRNK jer imaju autokatalitička svojstva.

Translacija eukariota je slična prokariotskoj. Razlika je u tome što do translacije dolazi tek posle detaljne obrade iRNK. Takođe i protinski faktori inicijacije, elongacije i terminacije se razlikuju, ali je princip u suštini isti. Ribozomi eukariota su veći (80S), sa malom subjedinicom (40S) koja sadrži 18S rRNK i velikom (60S) koja sadrži 28S, 5S i 5.8S rRNK.

Ostatak znate...

6. Genetička osnova polne i bespolne reprodukcije organizama

Tokom reprodukcije nastaju novi organizmi, koji nasleđuju genetičke informacije o vrsti od roditelja. Pri polnoj reprodukciji, neophodno je postojanje izvora dveju haploidnih ćelija (bila to dva roditelja ili polni

organi istog organizma), koje će fuzionisati i dati diploidni organizam, sa po jednim hromozomskim setom od svakog roditelja. Date haploidne ćelije, gameti, nastaju mejozom, redukcionom ćelijskom deobom, tokom koje se diploidni broj hromozoma u išodnim ćelijama redukuje na haploidni. Prema tome, genetička osnova polne reprodukcije je mejoza. Prednost ovakvog načina razmnožavanja je to što je povećana genetička raznovrsnost; tokom mejoze dolazi do rekombinacije između homologih hromozoma, pri čemu nastaju nove kombinacije alela, a zatim, posle fertilizacije, u novom organizmu dva seta alela od dva roditelja međusobno interaguju i daju raznolike fenotipove.

Sa druge strane, prilikom bespolne reprodukcije organizama dovoljan je samo jedan roditelj, iz čijeg će dela tela izrasti nov organizam. Raznoliki su načini kojima se to postiže – stolone, pupljenje... Praktično imamo jednu ili više somatskih ćelija organizma koje se dediferenciraju i daljim mitozama daju nov, diploidni organizam sa svim tkivima. Jedino što je nastali organizam genetički identičan roditelju, ć. predstavlja klon. Dakle, osnova bespolne reprodukcije je mitoza. Jasno je da u ovom slučaju nema genetičke raznovrsnosti.

Životni ciklus nekih biljaka je podeljen na sporofit i gametofit generaciju. Gametofit je haploidna generacija koju predstavljaju mejozom nastale spore iz kojih nastaju gameti. Fertilizacija označava početak sporofit, diploidne, generacije tokom koje uzastopnim mitozama nastaje kompletna biljka. Početak nove gametofit generacije je mejoza.

Kod pojedinih organizama postoje slučajevi da se iz neoplođene jajne ćelije razvije kompletan, normalan, ali haploidan organizam. Takođe je prisutna i pojava da sekundarno polarno telo igra ulogu spermatozoida i oplođuje jajnu ćeliju, pri čemu opet nastaje normalan, ali diploidan organizam. To su partenogenetske pojave. I pojedine biljke mogu dati haploidne potomke. Takođe je moguće veštački iz dela biljnog tkiva u kulturi, tretmanom određenim hormonima i faktorima rasta, postići dediferencijaciju tkiva i nastanak novog organizma. Bla, bla, bla....

5

7. Promene na genetičkom materijalu tokom ćelijskog ciklusa

Ćelijski ciklus predstavljaju interfaza i ćelijska deoba (mitoza ili mejoza).Interfaza se deli na faze: G1, S i G2. Tokom interfaze genetički materijal se nalazi u jedru u vidu

nekondenzovanog hromatina, što znači da je nivo spiralizacije DNK najmanji, ali hromozomimi kao entiteti postoje. U G1 fazi imamo diploidan set hromozoma sa po jednom hromatidom. U S fazi dolazi do replikacije, posle čega se svaki hromozom sastoji od dve hromatide, povezane nerazdvojenim centromerama.

Sa početkom mitoze, u profazi, dolazi do kondenzovanja hromatina i spiralizacije DNK. Uz pomoć histona H1 nukleozomi se približavaju i formiraju solenoid. Daljim spiralizacijama solenoida i nastajenjem petlji (nivo hromomere, hromoneme...) hromozomi se sve više skraćuju i postaju deblji. Na kraju profaze su potpuno vidljivi. U metafazi hromozomi se raspoređuju u jednoj ravni i formiraju metafaznu ploču. U anafazi dolazi do razdvajanja hromatida svakog hromozoma, pa ka svakom polu ćelije odlazi diploidan broj hromozama sa jednom hromatidom. U telofazi se hromozomi dekondenzuju i opet zaobavijaju jedrovom membranom.

Mejoza se deli na mejozu I i mejozu II. U leptotenu profaze I homologi hromozomi sa po dve hromatide se sparuju. Zatim dolazi do krosing overa, razmene homologih sekvenci dva hromozoma. To je genetička rekombinacija koja daje nove kombinacije sekvenci na oba hromozoma. U zigotenu se formiraju sinapse, bliski kontakt dva hromozoma, nalik na rajsferšlus. Data struktura se naziva sinaptonematski komplex. U ovom stadijumu spareni hromozomi se nazivaju bivalenti. Na kraju pahitena sinapse se polako razgrađuju. U diplotenu hromozomi ostaju povezani samo hijazmama, mestima gde je došlo do krosing overa. Tokom dijakineze dolazi do terminalizacije hijazmi – one se kreću ka telomerama, tako da hromozomi ostaju povezani samo vrhovima, telomerama. X i Y hromozomi nisu homologi, ali mali deo Y hromozoma jeste homolog X hromozomu, pa dolazi do rekombinacije.

U metafazi I bivalenti se raspoređuju po ekvatorijalnoj ravni. U anafazi I bivalenti se razdvajaju i po jedan od homologih hromozoma sa po dve hromatide odlazi na jedan pol ćelije. Ovde je ključna razlika između mitoze i mejoze – ne razdvajaju se sestrinske hromatide. Haploidni broj hromozoma sa po dve hromatide se obično zaobavija jedrovom membranom i dolazi do citokineze. Mejoza II je praktično ista kao mitoza. Haploidni broj dvohromatidnih hromozoma se raspoređuju na ekvatorijalnoj ravni i dolazi do razdvajanja hromatida, tako da na polove odlazi haploidan broj hromozoma sa jednom hromatidom. Dakle, pre mejoze II (mitoze) ne dolazi do udvajanja hromozoma, već se postojeći hromozomi sa dve hromatide dele.

Rekombinovani hromozomi se prilično razlikuju od onih od kojih su nastali, ć. para roditeljskih homologih hromozoma, kao i međusobno. Rekombinacija omogućava nastanak novih kombinacija alela.

8. Genske mutacije

To su promene koje se odnose na manji broj nukleotida, za razliku od hromozomskih aberacija. Dakle, obično se odražavaju na funkciju jednog gena. One mogu biti spontane i indukovane.

Promena koja nastane u DNK se naziva premutaciona lezija. Tek kada replikaciona mašinerija pređe preko nje, tada nastaje fixirana mutacija. Mutacije u somatskim ćelijama se nazivaju somatskim i odražavaju se na funkcije date ćelije. Mutacije u gametima se prenose na sledeću generaciju.

Mutacije koje uključuju jedan bazni par se nazivaju tačkastim.Supstitucija je zamena jednog bp drugim. Transverzija je promena Pu – Py para u Py – Pu par.

Tranzicija je promena jednog Pu – Py para u drugi Pu – Py par.Mikroadicija (mikroinsercija) je dodavanje jednog bp.Mikrodelecija je isecanje jednog bp. Ova dva tipa daju tzv. framešift mutacije – pomeren okvir čitanja.Sve ove pojave se na određen način odražavaju na sekvencu AK u proteinu. Missens mutacija znači da

je došlo do promene u kodonu pa nastali protein ima izmenjenu sekvencu. Ta izmena može drastično promeniti njegovu funkciju, pa i eliminisati je. Ekvivalentna mutacija znači da je jedna AK zamenjena drugom, ali po osobinama sličnoj, tako da funkcija proteina nije ozbiljno ugrožena. Tiha mutacija znači da je promenjen kodon, ali zbog izrođenosti koda, on i dalje kodira istu AK. Ovo se detektuje samo sekvenciranjem. Nonsens mutacija znači da je kodon za neku AK mutirao u stop kodon, tako da nastaje skraćen protein, koji ne može normalno da obavlja funkciju.

Reversne mutacije vraćaju mutirani fenotip u wt. Prava reverzna mutacija znači da je došlo do procesa suprotnog prvobitnoj mutaciji i da je povraćena stara AK. Supresorske mutacije se događaju na drugim mestima, ali kompenzuju efekat prethodne mutacije. One mogu biti intragenske i intergenske. Intragenska supresija je, na primer, kada je došlo do mikrodelecije jednog bp, negde u istom genu dolazi do mikroadicije drugog bp. Okvir čitanja se restaurira, ali AK sekvenca između dve mutacije obično biva promenjena. Kvalitet te promene utiče na funkcionalnost datog proteina. Intergenska supresija je kada dođe do mutacije u drugom genu. Npr. dolazi do mutacije u antikodonu tRNK, pa ta izmenjena tRNK čita izmenjeni kodan i ubacuje istu AK. Ili mutacija u nekoj od rRNK ili ribozomskih proteina može ubrzati translaciju i povećati grešenje, a posledica će biti ubacivanje dobre AK na izmenjeni kodon.

Mutacije nastaju zbog. grešaka u replikaciji od strane polimeraze

6

grešaka u replikaciji zbog tautomernih oblika baza (C* - T) grešaka u replikaciji zbog hemijskih modifikacija baza (C U) – sponatnih ili indukovanih

(alkilirajući agensi...) grešaka u replikaciji zbog postojanja baznih analoga koji se nestandardno sparuju grešaka u replikaciji zbog UV zračenja koje stvara T-T dimere, koji deformišu helix, pa

polimeraza greši

9. Hromozomi prokariota i eukariota Bakterije sadrže jedan hromozom, dakle, haploidne su. Njihovi hromozomi su cirkularni dvolančani

molekuli DNK. Obzirom da je hromozom dosta veliki, a ćelija je mala, neophodno je da DNK bude superspiralizovana. Experimenti su pokazali da cirkularni hromozomi bakterija mogu postojati u dva topoizomerna stanja: relaxiranom i superspiralizovanom.

DNK hromozom bakterija je negativno superspiralizovan, što za posledicu ima veću kompaktnost molekula, a samim tim zauzima i manji prostor. Sam DNK lanac je organizovan u petlje. Postoje pozitivno naelektrisani proteini (npr. HU i H), slični histonima eukariota. Praktično, ti proteini se vezuju za osnove petlji.

Hromozomi nekih bakteriofaga, koji su takođe cirkularni, pri replikaciji prolaz kroz linearnu formu. Tada se karakterišu kao cirkularno permutovani i terminalno umnoženi. Razlog za to je način replikacije, koji daje konkatemere. Fag X174 ima cirkularni jednolančani hromozom, na kome se mnogi geni preklapaju. Retrovirusi imaju genome u vidu (+) RNK lanaca, koje možemo smatrati hromozomima.

Eukariotski hromozom se sastoji od jednog molekula linearne dvolančane DNK, ć. jedne hromatide. Dve hromatide su prisutne posle S faze interfaze pa do telofaze. Većina eukariota u svim somatskim ćelijama ima diploidni broj hromozoma (sem nekih gljiva) i čine ga parovi homologih autozoma i par polnih hromozoma. Kod nekih organizama postoje i poliploidne ćelije. U gametima je haploidan broj hromozoma – iz svakog para homologih autozoma po jedan i jedan polni hromozom.

Hromozomi eukariota imaju dva kraka razdvojena primarnim suženjem ili centromerom. Postoji nekoliko tipova hromozoma, na osnovu položaja centromere:

metacentrični – kod kojih je centromera približno na sredini; submetacentrični – kod kojih je centromera pomerena više ka jednom kraju i kraci su

nejednake dužine; akrocentrične – kod kojih je jedan krak drastično kraći od drugog; telocentrični – kod kojih postoji samo jedan krak, ć. centromera je na telomeri.

Takođe, na hromozomu može postojati i sekundarno suženje, posle kog je tzv. satelit. Obično se kraći krak obeležava sa p, a duži sa q. Centromerni region služi za povezivanje hromozoma i citoskeleta mitotskog vretena. Telomere su uglavnom bez gena i sadrže heterohromatske regione, ć ponovljene sekvence, a negde i transpozone.

DNK u hromozomima eukariota je asocirana sa proteinima i to:a. Histonima, baznim, pozitivno naelektrisanim proteinima, koji generalno imaju ulogu u

struktuiranju hromozoma (H1 – H4);b. Nehistonskim proteinima, kiselim proteinima, koji su predstavljeni enzimima koji učestvuju u

svim informativnim procesima (polimeraze, helikaze, topoizomeraze...), proteinskim faktorima (replikacije, transkripcije, translacije, rekombinacije...), regulatornim proteinima,....

Histoni stvaraju osnovni proteinski skelet za izgradnju hromozoma. Histoni H2 – H4 stvaraju oktamer koji se naziva nukleozom. Nukleozomi su stalno prisutni na DNK, osim u slučajevima kada smetaju nekom procesu, kada se pomeraju ili privremeno spadaju. Hromozom H1 omogućava stvaranje deblje niti, solenoida, i daljim sukcesivnim spiralizacijama i stvaranjem petlji oko osnovnog proteinskog skeleta, nastaju metafazni hromozomi

10. Struktura i funkcija hromatina

Svi proteini zajedno sa DNK čine hromatin. I na nivou nukleusa i na nivou jednog hromozoma možemo definisati euhromatinske i heterohromatinske regione. U interfaznom nukleusu, euhromatin se karakteriše svetlom obojenošću, jer je to nekondenzovani deo hromatina. Razlog je to što je euhromatin transkripciono aktivan. Heterohromatin je tamno obojen, ć. kondenzovan, pa sledi da je i transkripciono inaktivan, ili iz

7

razloga što su pitanju nekodirajuće sekvence ili iz razloga što pojedini geni nisu u tom trenutku ili na tom mestu aktivni. Na osnovu toga i postoji podela na konstitutivni i fakultativni hromatin, gde konstitutivni hromatin predstavljaju nekodirajuće sekvence, koje se na homologim hromozomima nalaze na istom mestu (centromere i telomere), a fakultativni hromatin predstavljaju trenutno neaktivni geni, ć. aleli.

Histonski proteini imaju strukturnu ulogu. Odnos histona i DNK je konstantan, dok odnos nehistonskih preotina varira i među tkivima i među vrstama i u vremenu. Takođe je primećeno da hemijske modifikacije (acetilacija, metilacija, fosforilacija) histona korelišu sa nivoom expresije.

AK sekvenca histona je konzervirana kod eukariota. Konsultovati OMB.

11. Pojam kariotipa

Kompletan set svih metafaznih hromozoma se naziva kariotip. Kod većine organizama sve ćelije imaju isti kariotip. Kariotip je species-specifičan. Uobičajeno je da se hromozomi poređaju po veličini i položaju centromere i tako se klasifikuju: par najvećih hromozoma se obeležava brojem 1, pa sve do broja npr. 22 kod ljudi. Polni hromozomi se obeležavaju sa X, Y, odnosno Z, W....

Ljudski hromozomi se dele u 7 grupa:

Grupa Hromozomi OpisA 1,2,3 Uglavnom metacentričniB 4,5 SubmetacentričniC 6,7,8,9,10,11,12,X SubmetacentričniD 13,14,15 Akrocentrični sa satelitimaE 16,17,18 Uglavnom submetacentričniF 19,20 MetacentričniG 21,22,Y Akrocentrični sa satelitima (osim na Y)

Razvijene su tehnike bojenja hromozoma raznim metodama, tako da se dobijaju obrasci traka za svaki hromozom što olakšava identifikaciju samih hromozoma i njihovih patoloških stanja. G trake predstavljaju regione bogate A i T. Q trake se dobijaju drugačijom tehnikom i vide se samo na fuorescentnom mikroskopu, ali su na istim mestima kao i G trake. R trake su praktično "negativ" G traka, dakle bogate su G i C. T trake predstavljaju podgrupu R traka i najviše ih ima u telomerama. Za C trake se smatra da obeležavaju konstitutivni hromatin. Najbitnije su G i R trake, koje, na neki način, predstavljaju heterohromatske, odnosno euhromatske regione, respektivno.

Trake se obeležavaju brojevima, npr. 19q12.3 znači da je u pitanju q krak hromozoma 19, traka broj 12. Pri nižim rezolucijama se dobijaju samo osnovne trake (11, 12, 23....), a pri višim se na istim mestima dobija više podtraka i otud decimali – 12.3, 23.1....

12. Numeričke hromozomske mutacije

Organizmi sa jednim kompletnim setom hromozoma su euploidni. Aneuploidija je posledica mutacija pri kojima postoji promena u broju hromozoma. Najčešći uzrok ovih mutacija je nerazdvajanje hromozoma tokom mejoze I (nastaju 4 abnormalna gameta) ili mejoze II (nastaju 2 abnormalna gameta). U većini slučajeva aneuploidije su letalne kod životinja, dok kod biljaka to ne mora biti slučaj.

Nulizomija (2N – 2) predstavlja gubitak jednog homologog para (nastaje spajanjem dva gameta kojima fali isti hromozom).

Monozomija (2N – 1) je gubitak jednog hromozoma. Sve autozomalne monozomije kod ljudi su letalne. Monozomija X (XO) hromozoma izaziva Tarnerov sindrom kod žena (neexprimirane sekundarne ženske karakteristike, obično neplodne).

Trizomija (2N + 1) je dodatak jednog hromozoma. Trizomija 21 hromozoma kod ljudi izaziva Daunov sindrom (mongoloidija). Trizomija 13 hromozoma izaziva Patau sindrom (polidaktilija, retardacija, žive oko tri meseca). Trizomija 18 hromozoma izaziva Edvardsov sindrom (kongenitalne malformacije, retardacija, srčani problemi, većina umire do šestog meseca). Trizomija X hromozoma obično daje normalne, pa i fertilne jedinke. Kombinacija XXY kod muškaraca izaziva Klinefelterov sindrom (hermafroditnost, ć. nerazvijeni testisi).

Tetrazomija (2N + 2) je dodatak jednog hromozomskog para. Monoploidija i poliploidija su promene broja kompletnih setova genoma. Obično su letalne kod

životinja. Monoploidi imaju haploidan broj hromozoma u svim ćelijama. Obično je to stanje letalno, osim kod partenogeneze. Poliploidija se najčešće sreće kod biljaka. Češće su parne poliploidije (4N, 6N...) jer se tad pri mejozi svi hromozomi sparuju, dok bi kod neparne poliploidije jedan set ostao nesparen. Autopoliploidija je slučaj kada svi setovi hromozoma potiču od iste vrste. Alopoliploidija je slučaj kada se ukrštaju dve vrste i genom svake biva očuvan u potomstvu.

8

13. Strukturne hromozomske mutacije

Iako nije u pitanju patološko stanje, i politeni hromozomi pljuvačnih žlezda Drozofile odstupaju od normalnih karakteristika. To su u stvari kopije hromozoma nastale uzastopnim replikacijama, koje su ostale u bliskom kontaktu.

Strukturne mutacije teško mogu revertirati.Delecije su mutacije koje predstavljaju gubitak dela hromozoma. Prekidi u hromozomima, koji su uzrok

delecijama, mogu nastati pod uticajem hemijskih, fizičkih i bioloških agenasa, transpozicijom i greškom u rekombinaciji. Ako delecija uključuje centromerni region, nastaje acentrični hromozom koji se obično gubi tokom mitoze, ć. on nestaje iz genoma. Krajevi isečenog fragmenta se mogu spojiti i dati prstenast hromozom, koji će preživeti samo ako sadrži centromeru. Obično ovakav događaj ima ozbiljne posledice, pa i letalne. Ova pojava se lako uočava analizom traka ili prostim pregledom kariograma gde se uočava da je jedan hromozom iz homologog para kraći. U sparivanju normalni hromozom pravi petlju na mestu delecije drugog homologa. Ovi događaji u experimentalnoj proceduri mogu poslužiti za fizičko mapiranje gena. Obzirom da hromozomi postoje u homologim parovima, moguće je i da će preostali neoštećeni hromozom ispunjavati potrebne funkcije, tako da do poremećaja neće doći. Primer poremećaja kod ljudi je delecija dela kraćeg kraka hromozoma 5 – bolest je cri du čat, sindrom mačjeg plača.

Duplikacije su mutacije kod kojih je segment hromozoma udvojen. Ovi procesi su odigrali veliku ulogu tokom evolucije u nastajanju genskih familija i tandemski ponovljenih gena. Duplikacije mogu biti tandemske (ABCBCD), reverzno tandemske (ABCCBD), terminalne (ABABCD). U sparivanju sa normalnim homologom hromozom sa duplikacijom pravi petlju. Poznat je primer Bar regiona Drozofile. Što više Bar ponovaka postoji na hromozomu, jedinka ima manje faceta. Ova pojava nastaje nejednakim krosing overom; tada se hromozomi sparuju pomereni u fazi što izaziva gubitak Bar regiona u jednom i duplikaciju u drugom hromozomu. U prirodi postoje i slučajevi duplikacija određenih gena što za cilj ima njihovu povećanu expresiju.

(Podvrsta duplikacija su i dinamičke mutacije, tzv. expanzije tripleta.) – moj zaključakInverzije su mutacije u kojima se segment hromozoma iseca i ponovo integriše, ali u suprotnoj

orijentaciji. Kada taj segment uključuje centromeru to je pericentrična inverzija, a ako ne uključuje centromeru to je paracentrična inverzija. Ova mutacija ne rezultuje u gubitku materijala, ali utiče na fenotip i expresiju (Pm – promotor / PmAB – exprimira se A, PmBA – exprimira se B, naravno A i B su u suprotnim orijentacijama), ako se prekid dogodi usred gena ili regulatornog regiona. Ako imamo heterozigotnu inverziju (ABCDEF / ADCBEF), doći će do problema u mejozi, ć. formiraće se petlja koja sadrži invertovan segment. Nastaće gameti sa normalnim hromozomima, sa hromozomima koji sadrže inverziju, i hromozomi sa delecijama ili duplikacijama, koji će biti nevijabilni (slika iz rasela).

Translokacije su mutacije koje uključuju deleciju i inserciju, ć. određeni segment biva isečen iz određenog regiona i biva inseriran u drugi. Ako se sve dešava na istom hromozomu, u pitanju je intrahromozomalna translokacija (nerecipročna) (ABCDEFGH AEFBCDGH). Ako segment prelazi sa hromozoma na hromozom u pitanju je interhromozomalna translokacija, koja može biti nerecipročna (ABCDEFGH / MNOPQRS AEFGH / MNBCDOPQRS) ili recipročna (ABCDEFGH / MNOPQRS MNOEFGH / ABCPQRS). Posledice su slične kao u prethodnim slučajevima i odražavaju se na celovitost, i expresiju gena, kao i na mejozu. Poznat slučaj je Filadelfija hromozom, gde su se razmenili delovi dužih kraka hromozoma 9 i 22, što izaziva prekomernu expresiju prisutnih c-onc.

(Transpozicije su podvrsta translokacija, s tim što ne dolazi do gubitka materijala, već samo do promene u expresiji i eventualno mejotičkoj rekombinaciji.)

14. Mendelova teorija nasleđivanja; Mendelova pravila

Genetička konstitucija organizma se naziva genotip. Uočljive osobine organizma, nastale u interakciji genotipa i sredine se nazivaju fenotip. Geni koje nosi individua daju samo potencijal za razvoj određene fenotipske osobine. Stepen razvitka te osobine zavisiće od interakcije sa drugim genima i sredinom.

Mendel je radio na ukrštanju biljaka graška. Pratio je određen broj osobina koje su se manifestovale na dva moguća načina. Prvo je dobio čiste linije, koje su datu osobinu iskazivale na isti način kroz niz generacija. Zatim je odabrao 7 osobina koje će pratiti. Parentalnu generaciju je označio sa P, a potomačke sa F1 i F2. Prvo je radio monohibridno ukrštanje, gde je pratio jednu osobinu. Ukrstio je čiste linije koje su imale glatko, odnosno naborano zrno. U F1 generaciji je dobio biljke koje su sve imale glatko zrno. U F2

generaciji 75% biljaka je imalo glatko zrno (3 : 1). Sličan odnos je dobio za svih 7 osobina. Nosioce ovih osobina nazvao je faktori (geni), a pošto je jedan od njih uvek prisutan u 100% (F1) ili 75% (F2) njega je

9

nazvao dominantnim (A), a drugi recesivnim (a). To su ustvari aleli. Biljke sa dva ista alela nazvao je homozigotnim, a sa dva različita heterozigotnim.

Odavde su proistekla njegova pravila:A. pravilo razdvajanja – par naslednih faktora se razdvaja u formiranju gametaB. pravilo slobodnog kombinovanja – faktori za različite osobine se slobodno

kombinujuJasno je da prvo pravilo vidimo u mejozi kada se geni na homologim hromozomima razdvajaju i

dospevaju u različite gamete. Drugo pravilo predstavlja proces fertilizacije, gde se bilo koji muški i ženski gamet mogu spojiti.

Dihibridno ukrštanje je sve ovo potvrdilo. Pratio je dve osobine. Ukrstio je dve linije, kod kojih su se dve osobine takođe alternativno exprimirale kroz niz generacija. U ovom slučaju odnos je bio 9 : 3 : 3 : 1. 9/16 biljaka je imalo obe dominantne karakteristike, 3/16 + 3/16 jednu recesivnu i jednu dominantnu, a 1/16 je imalo obe recesivne karakteristike.

Autozomno dominantne osobine se javljaju u svakoj generaciji i kod oba pola pođednako. Recesivne osobine se takođe pođednako javljaju kod oba pola, ali preskaču generacije.

Jedinke koje imaju genotip koji je najzastupljeniji u prirodnim populacijama su divlji tip (wt). Sve ostale su mutanti.

15. Modifikacije Mendelovih odnosa; promenljivost dominanse

Klasičan experiment sa površinom zrna graška demonstrira slučaj klasičnog dominantno – recesivnog odnosa. Dobijaju se: u F1 generaciji jedan genotip i jedan fenotip; u F2 generaciji tri genotipa i dva fenotipa.

U slučaju nepotpune dominanse, u F2 generaciji imamo tri genotipa i tri fenotipa – heterozigoti pokazuju fenotip koji je između dominantnog i recesivnog. Razlog je nedovoljna expresija dominantnog alela. Npr., ukrštanje crvenog (AA) i belog (aa) cveta daće crvene, bele i roze (Aa) cvetove (1 : 2 : 1).

Kodominansa je kada imamo dva dominantna alela koji pođednako exprimiraju svoj produkt. Npr., ABO sistem krvnih grupa. Aleli IA i IB su dominantni, a i je recesivan.

Izostanak dominanse je kad uopšte ne dolazi do expresije dominantnog alela tako da svo potomstvo pokazuje recesivne karakteristike.

16. Modifikacije Mendelovih odnosa; letali, plejotropizam, penetrantnost i ekspresivnost

Alel čiji rezultat je smrt jedinke je letalan. U stvari, u pitanju je esencijalni gen koji je mutirao ili nestao, i tako je nastao letalan fenotip. Ako je u pitanju dominantano letalan alel, sve kombinacije će biti letalne. Ako je u pitanju recesivno letalan alel, homozigoti i hemizigoti će imati letalan išod. Primer za to je Taj-Saksova bolest.

Pojedini geni se odražavaju na više fenotipskih karakteristika. U tome se sastoji plejotropno delovanje gena. Npr izmena u jednoj AK kod srpaste anemije ima niz fenotipskih manifestacije (malaxalost, slabljenje srčanog rada, fibroza slezine...)

Postoje slučajevi kada nosici nekog genotipa ne iskazuju očekivani fenotip specificiran od strane datog genotipa. Učestalost sa kojom se dominantni ili homozigotno recesivni gen manifestuje kod jedinki-nosilaca se naziva penetrantnost. Ona zavisi od interakcija sa drugim genima i sredinom. Npr. jedinke koje nose dominantni alel za polidaktiloju mogu imati normalan broj prstiju.

Expresivnost je stepen expresije određenog genotipa (kvalitativno ili kvantitativno). Takođe zavisi od interakcija sa drugim genima i sredinom. Npr., u pomenutom primeru, nosioci istog genotipa za polidaktiliju mogu imati različite dužine dodatnih prstiju.

17. Modifikacije Mendelovih odnosa; polno vezani geni

Obično se polni hromozomi označavaju sa X i Y. Mužjaci proizvode dva tipa gameta (sa X ili Y hromozomom), pa su heterogametni pol. Ženke proizvode samo jedan tip gameta i zato su homogametni pol. Polno vezane gene otkrio je T.H. Morgan. Ukrstio je crvenooke (wt) ženke sa belookim mužjacima i dobio je F1 potomstvo gde su oba pola imala crvene oči. U F2 generaciji je međutim dobio 100% crvenookih ženki i 50% crvenookih mužjaka (ili, bez obzira na pol, 3 : 1).

Objašnjenje: crvenookost je dominantna, X-vezana osobina. P mužjak sa belim očima je hemizigot, jer ima samo recesivan alel na jednom X hromozomu. P ženka je dominantni homozigot. U F1 potomstvu imamo hemizigotne mužjake sa crvenim očima, jer su dobili hromozom sa dominantnim alelom od majke, i heterozigotne crvenooke ženke. U F2 potomstvu heterozigotna majka je dala polovini kćeri dominantan alel, a polovini recesivan, međutim od oca su dobile drugi dominantan alel, tako da su sve crvenooke, ali ih je polovina heterozigotno. Polovina sinova je od majke dobilo X hromozom sa dominantnim alelom, a polovina sa recesivnim.

X-vezano recesivno nasleđivanje: bolest exprimiraju homozigotne recesivne ženke i mužjaci sa recesivnim alelom na X hromozomu. Očevi prenose recesivne alele kćerima, ali nikad sinovima. Više

10

obolevaju mužjaci. Svi sinovi homozigotne majke exprimiraju oboljenje. Moguće je preskakanje generacije, jer kćerka može dobiti dominantan alel ili od oca ili od majke.

X-vezano dominantno nasleđivanje: bolest se češće javlja kod ženki. Ne preskače generaciju, jer i heterozigotne ženke oboljevaju.

Y-vezano nasleđivanje: svi sinovi bolesnog oca oboljevaju i nijedna kćerka.

18. Modifikacije Mendelovih odnosa; vezano nasleđivanje i rekombinacije

Primećeno je da se pojedine fenotipske karakteristike prenose i exprimiraju korelativno. To je impliciralo vezanost među njima. O tome se upravo i radilo. U pitanju su bili genski aleli na istom hromozomu koji se tokom mejoze nisu razdvajali.

Geni na istom hromozomu pripadaju istoj grupi vezanosti. Utvrđivanjem učestalosti rekombinacije između dva gena dobija se i mapa vezanosti (genetička mapa) za određeni hromozom. Ako dva gena pokazuju učestalost rekombinacije manju od 50%, oni se smatraju vezanim.

U ukrštanju dve jedinke, gde se prate dve osobine čiji su geni na istom hromozomu dobiće se genotipovi isti kao roditeljski, ali i rekombinovani. Praktično, proporcija rekombinovanih genotipova biće veća, što su dva gena udaljenija jedan od drugog.

Ako pratimo tri gena na istom hromozomu, tada će se, u najmanjoj proprociji, javiti četvrta grupa, genotipova – dvostruki rekombinanti, kod kojih je došlo do dvostrukog krosing overa. Međutim dvostruki krosing over je redak. Ć., pojava jednog krosing overa redukuje verovatnoću pojave drugog u blizini i to je interferenca (I). Izražava se preko koeficijenta koincidencije (C):

I = 1 – C

19. Modifikacije Mendelovih odnosa; interakcije između gena

Nijedan fenotip nije prizvod aktivnosti samo grupe alela istog gena. U pomenutom dvohibridnom ukrštanju graška odnos je 9 : 3 : 3 : 1, imamo potpunu dominantnost, a aleli ne utiču jedan na drugog. Postoje slučajevi kada interaguju nealelni geni koji kontrolišu određen fenotip. Epistaze su slučajevi kada nealalni geni maskiraju expresiju alela drugog gena.

Npr, oblik ploda tikve može biti izdužen (aabb), loptast (A-bb ili aaB-) i diskoidalan (A-B-). Ukrštanje loptastih roditelja (AAbb x aaBB) daće u F2 generaciji odnos 9 (diskoidalnih) : 6 (loptastih) : 1 (izduženih). Ova interakcija je kumulativni efekat.

Recesivna epistaza (9 : 3 : 4) je pojava kad homozigotno recesivno stanje jednog gena potpuno eliminiše efekat drugog gena. Npr. boja krzna kod glodara: A-C- je aguti (9/16), A-cc i aacc je albino (3/16 + 1/16) i aaC- je crna (3/16).

Dvojna recesivna epistaza (9 : 7) je pojava kada homozigotno recesivno stanje bilo kog gena potpuno anulira efekat drugog gena. Pritom se uvek dobija fenotip jednak stanju kada su oba gena istovremeno u

11

Npr., kod Drozofile:pr – ljubičaste oči vg – kratka krilapr+ – crvene oči vg+ – normalna krila

P

F1

F2

191 23 21 165 n = 400- Središnja dva genotipa sa malim učestalostima su

rekombinantni.- Učestalost rekombinacije između dva gena je:

, tj udaljenost dva gena je 11

morganida

homozigotnom recesivnom stanju. Npr., boja cveta: C-P- je ljubičasta (9/16), C-pp, ccP- i ccpp je bela (3/16 + 3/16 + 1/16). Ovaj odnos može biti i komplementarnost dominantnih alela.

Dominantna epistaza (12 : 3 : 1) je pojava kad makar jedan dominantan alel jednog gena potpuno favorizuje dati fenotip nad drugim genom. U homozigotnom recesivnom stanju, drugi gen diktira fenotip, zavisno od stanja u kome se on nalazi. Npr., boja ploda tikve: W-Y- i W-yy je bela (9/16 + 3/16), wwY- je žuta (3/16), a wwyy je zelena (1/16).

Dvostruka dominantnost (15 : 1) je jasna. Analogna je sa recesivnom epistazom i dvojnom recesivnom epistazom, a proističe iz prethodnog slučaja. Znači, bilo koji dominantni alel bilo kog gena diktira dominantni fenotip.Kompletna dominatnost je odnos alela u kome je fenotip heterozigotra isti kao i fenotip dominantnog homozigota. Recesivni alel se eksprimira samo kod recesivnih homozigota. Dakle imamo tri moguća genotipa, ali samo dva fenotipa.

Kada jedan alel nije potpuno dominantan nad drugim, za njega se kaže da ima nekompletnu ć. parcijalnu dominantnost. Fenotip heterozigota je između fenotipova jedinki homozigotnih za jedan i drugi alel. Boja perja kod kokošaka predstavlja dobar primer parcijalne dominase. Ukršatnjem crne sorte (BB) sa belom sortom (WW), u F1 generaciji daju plavičasto-sive kokoške, nazvane Anadluzijsko plave. U ovom odnosu alela, kod heterozigota samo se jedan alel eksprimira i daje proizvod. Kod homozigota za nekompletno dominantni alel eksprimira se pun fenotip zato što postoji dupla doza proteinskog produkta. Kod homozigota za recesivni alel nastaje fenotip koji je rezultat neeksprimiranosti alela. Kod heterozigota se eksprimira samo jedan alel i to za posledicu ima da se stvara količina genskog proizvoda koja je dovoljna samo za intermedijarni fenotip. Tri genotipa, tri fenotipa.

Kodominantnost je slična parcijalnoj dominasi. U kodominantnosti heterozigot eksprimra fenotip oba homozigota. Razlika između parcijalne dominanse i kodomiantnosti: kod kodominantnsti oba homozigota stvaraju svaki za sebe svoje genske proizvode, a kod parcijalne dominanse recesivni homozigot ne eksprimira ništa. IA i IB su kodominantni. U kodominantnosti u heterozigotnom stanju genski proizvodi su rezultat ekspresije oba alela i zato su oba homozigotna fenotipa eksprimirana. Crveni, roze, beli cvetovi. Tri genotipa tri fenotipa.

Osnovni procesi koji su zaslužni za izmenjene Mendelove odnose između fenotipova su:1. interakcije između nealelnih gena koji kontrolišu istu osobinu2. interakcije nealelnih gena u kojima jedan alel maskira ekspresiju alela (množina) drugog

gena-epistaza

1. Genska interakcija koja daje nove fenotipove. Ako dva para alela utiču na istu fenotipsku osobinu, postoji šansa da genski proizvodi interaguju i da daju nove fenotipove, i rezultat toga su izmenjeni odnosi fenotipova. a. Oblik kreste kod pilića. 9 : 3 : 3 : 1

Dolazi do interakcije dva dominantna alela, od kojih svaki zasebno proizvodi različit fenotip i nastaje novi fenotip. Ne dolazi do promena tipičnih mendelovskih odnosa. Molekulski odnos nije poznat. Ipak, možemo pretpostaviti da rrpp ptice ne proizvode nikakav funkcionalni genski produkt koji bi uticao na oblik kreste i dobijamo samo osnovni oblik (na koji ništa ne utiče). Ako je prisutan R alel njegov proizvod interaguje sa proizvodima gena koji determinišu nastanak kreste. To isto važi i za P. Kada su prisutni i P i R oni interaguju i međusobno i sa genom koji determiniše prisustvo kreste i daju novi fenotip. Zaključak neki geni determinišu da li će kreste uopšte biti ili ne, i ako je ima ona je osnovnog oblika (reckava). Geni P i R utiču na njen OBLIK, menajjući ga od osnovnog do oblika graška (P alel) ili od osnovnog do oblika ruže (R) alel, ili od osnovnog do oblika oraha (ako su prisutni i P i R).

b. Oblik tikve. 9 : 6 : 1 - KUMULATIVNI EFEKATSlično ako i kod oblika kreste i kod ove osobine imamo dva lokusa sa dva dominantna i dva recesivna alela. I interakcija između dva nealelska dominantna alela daje novi fenotip. Ipak u ovom slučaju svaki dominantni alel zasebno daje isti oblik i po tome se ovaj odnos nealelskih gena razlikuje. Molekulska osnova je takođe nepoznata. Ako je prisutan bilo koji dominantni alel (sa bilo kog lokusa -oblik je sferičan. Ako su svi aleli na oba lokusa recesivni oni ne daju niakav proteinski proizvod i oblik tikve je osnovni - izduženi. Ako je prisutan makar jedan dominantni alel na oba lokusa, njihovi proizvodi će interagovati i dati novi fenotip - diskoidni.

2. Epistaza je genska interakcija u kojoj proizvod jednog gena utiče na fenotipsku ekspresiju drugog gena (čiji proizvod utiče na neku osobinu), tako da fenotip sada nastaje pod uticajem prvog, a ne dtugog gena. Ovim tipom interakcije ne nastaju novi fenotipovi. Za gen koji maskira ekspresiju drugog gena se kaže da je epistatički, a onaj čija je ekspresija maskirana je hipostatički. Takođe epistatički efekat ne mora biti samo u jednom pravcu, ć. epistaza se može odigrati u oba pravca između dva lokusa. a. Boja krzna kod glodara. RECESIVNA EPISTAZA - 9 : 3 : 4

12

Jedinke A-cc i aacc imaju isti fenotip, ć. albino. A-C- su aguti i aaC- su crni. (aguti : crni : albino ). Na jednom lokusu dominantni C alel stvara proizvod koji utiče na proizvodnju bilo kakvog pigmenta. c u homozigotnom obliku sprečava nastanak bilo kakvog pigmenta bez obzira na genotip ostalih lokusa za boju krzna. Na drugom lokusu A daje proizvod čija je posledica aguti boja (ć. štraftanje crnih dlaka žutim prugama), recesivni alel a daje neaguti boju,ć. ostali geni utiču na boju krzna, a on ne daje nikakav proizvod. Dominantni alel B na trećem lokusu daje proizvod koji utiče na sintezu crnog pigmenta. b u homozigotnom stanju daje braon pigment. Ovaj poslednji oblik je važan samo da bi smo znali da je osnovna boja crna. Svi miševi o kojima smo govorili morali su da imaju makar jedan B alel inače bi bili braon boje.

b. Boja cveta. DVOJNA RECESIVNA EPISTAZA - 9 : 7Beli cvet: ccP- ili C-pp ili ccpp. Ljubičasti: C-P- Bela boja nastaje kao rezulat jednog ili oba

dominantna nealelska gena. Ako je makar jedan C prisutan postojaće boja, ako nije neće. Ako je prisutan i P onda će ta boja biti ljubičasta, ako je p neće biti ljubičasta (biće bela). Takođe se radi o kaskadnoj reakciji kao i kod albinizma pa je albinizam bolji primer.

c. Boja tikve. DOMINANTNA EPISTAZA - 12 : 3 : 1 bele tikve W-Y- i W-yy žute ww Y- zelene wwyy

20. Vanjedarno nasleđivanje

Vanjedarno nasleđivanje se ne odigrava po Mendelovim pravilima. Ovakve pojave su obično posledica toga da u stvaranju zigota učestvuje samo citoplazma majke, jer citoplazma muškog gameta biva redukovana. Zato je to uniparentalno – materinsko nasleđivanje. Sve generacije imaju samo fenotip majke.

Mitonondrije i plastidi imaju svoje genome. Kao posledica toga da potiču od prokariota, njihovi hromozomi su cirkularne dvolančane DNK. U organeli se nalazi veliki broj genoma. DNK se replicira rolling circle mehanizmom. Genomi organela se na potomstvo prenose uniparentalno, obzirom da zigot dobija samo majčine organele. Dakle, sve fenotipske karakteristike, koje ima majka, a koje zavise od genoma organela će se u nepromenjenom stanju preneti na svo potomstvo, pa i sledeće generacije.

Postoji nekoliko poremećaja kod ljudi koje su posledica defekata u mtDNK. Ovi poremećaji se maternalno nasleđuju:

Leberova nasledna optička neuropatija – postoji mutacija u genima respiratornog lanca (NADPH dehidrogenaza, citohrom oxidaza, ATPaza).

Kerns-Sejr sindrom – osobe imaju encefalomiopatiju. U pitanju su velike delecije u mtDNK.Maternalni efekat je pojava u kojoj, de fakto, nemamo uniparentalno nasleđivanje preko organela, već su

u oociti nagomilani određeni proteinski produkti ili iRNK. Dakle, na fenotip zigota utiču materinski jedarni geni, od kojih su date supstance i potekle. Primer je rano embrionalno razviće Drozofile gde učestvuju geni maternalnog efekta.

21. Distribucija sekvenci DNK u genomu

Ako fragmentišemo i denaturišemo genomsku DNK, a potom je podvrgnemo renaturaciji, uočava se da neke frakcije brzo renaturišu, a neke sporo. Kinetika renaturacije zavisi od verovatnoće kojom će se dva jednolančana fragmenta naći u rastvoru određene koncentracije fragmenata, a i od broja kopija datg fragmenta. Npr., ako se jedan fragment zastupljen sa milion kopija u genomu, on će mnogo brže renaturisati u rastvoru ukupne genomske DNK, nego fragment zastupljen samo jednom kopijom, koji će mnogo sporije naći svoj par u istom rastvoru. Praktično, brzna renaturacije unikalnog niza je obrnuto srazmerna veličini genoma. Sve ovo se prati preko tzv. "kot" vrednosti (C0t½), gde je C0 početna koncentracija nukleotida u denaturisanoj DNK, a t½ vreme kada je renaturisalo 50% DNK. Manja "kot" vrednost implicira da postoje nizovi koji se ponavljaju, praktično, veličina genoma ne smanjuje brzinu pronalaženja datih fragmenata.

Infrastrukturno, genomska DNK se može podeliti po zastupljenosti sekvenci i njihovoj funkciji na sledeći način:

I Unikalni nizovi (65%);A. Geni zastupljeni u jednoj kopiji, ć. njihovi exoni (3%);B. Nekodirajuća, "junk", DNK (spacer DNK, introni....);

II Ponovljeni nizovi (35%);A. Umereno ponovljeni nizovi (30%);

1) Tandemski ponovljeni geni (histoni, rRNK, tRNK...);2) Familije gena, sa nefunkcionalnim pseudogenima i fragmentima gena

(globini...);3) Nekodirajuće funkcionalne sekvence (regulatorni elementi...);4) Rasuti nizovi (većina transpozabilno aktivna);

a) SINE; Alu sekvence;

13

Obrađeni pseudogeni;b) LINE;

LINE-1 (Kpn); Transpozabilni elementi; Endogeni retrovirusi;

B. Visoko ponovljeni nizovi (10%);1) Tandemski ponovljeni nizovi;

a) Satelitske DNK; Satelitska DNK; Minisatelitska DNK (VNTR); Mikrosatelitska DNK (STR) ;

Kada su u pitanju single copy genes njihove exonske sekvence su karakteristične, mada mogu kodirati

proteine sa sličnim funkcionalnim domenima. Oko 50% svih gena spada u ovu kategoriju. Njihovi introni, čiju funkciju još ne znamo, su, pak, nizovi nukleotida bez značenja, osim konzervativnih sekvenci odgovornih za isecanje introna. Vrlo retko se u okviru introna može naći gen. Spacer DNK je prava junk DNK. Ove sekvence nisu pod selektivnim pritiskom, pa brže mutiraju i nazivaju se hipervarijabilnim. Korisne su za identifikaciju jedinki i vrsta.

Tandemski ponovljeni geni se nalaze u nekoliko stotina ili hiljada klasterovanih ponovaka na jednom ili više hromozoma. Npr., za rRNK: - - –18S–5.8S–28S– - - - - –18S–5.8S–28– - - . Smatra se da su ovi tandemski ponovci nastali amplifikacijom primordijalnog ponovka. Smatra se da postoje mehanizmi koji održavaju identičnost svih kopija i omogućavaju simultanu koevoluciju.

Jednu familiju gena čine geni koji se exprimiraju u određeno vreme razvića ili u određenom tkivu, ali svi geni imaju istu ili sličnu funkciju, a i strukturno su slični.. Prisutni su i pseudogeni. Smatra se da su geni jedne familije nastali amplifikacijom primordijalnog gena.

Nekodirajuće funkcionalne sekvence, poput regulatornih elemenata, se nalaze na raznim mestima u genomu, zato što se većina gena reguliše istim promotorima, enhenserima i sajlenserima.

Alu sekvence su rasute po genomu u nekoliko stotina hiljada kopija. Karakteristične su za ljudsku vrstu. Ne transkribuju se. Nije poznata njihova funkcija. Moguće je da su nastale reverznom transkripcijom 7SL RNK, koja je deo signalne partikule prepoznavanja.

Procesovani pseudogeni su defektni geni bez introna nastali reversnom transkripcijom. Alu sekvence i retropseudogeni ne kodiraju RT i koriste tuđu.

Transpozabilni elementi imaju mogućnost da "skaču" po genomu. Karakteristično je da na mestu insercije dupliraju sekvencu. Neki transponiraju nereplikativnom transpozicijom (ć. isecaju se i sele se), a neki replikativnom, koja pak može ići preko DNK ili RNK intermedijera. Neki transpozabilni elementi sadrže ORF, koji kodiraju RT ili neki drugi protein. LINE-1 se nalaze u nekoliko desetina hiljada kopija, a ostali transpozabilni elementi u nekoliko hiljada kopija. LINE-1 takođe kodiraju RT, ali nemaju LTR.

Endogeni retrovirusi su virusi koji se vekovima nalaze u genomu u vidu selfiš DNK, dakle bez funkcije. Oni su izgubili mogućnost razmnožavanja, ali mogu da transponiraju uz pomoć svoje RT ili "pozajmljene". poseduju mnoge elemnte koji karakterišu retroviruse: LTR, pol gen.

Satelitske DNK se dele na: satelitsku, minisatelitsku i mikrosatelitsku DNK. Satelitske DNK se lako izoluju sentrifugiranjem na gradijentu gustine CsCl, jer se razlikuju po baznom sastavu u odnosu na glavninu DNK. Sadrže ponovke višeg i nižeg reda.

Satelitska DNK se preferencijalno nalazi u regionu centromernog heterohromatina, u blogovima od nekoliko stotina kb do nekoliko mb, na svim hromozomima. Funkcija je još uvek nepoznata. Minisatelitska DNK se nalazi u telomernim i subtelomernim regionima. Fukcija nije poznata, mada je nađeno da su ovi regioni hot spots za homologu rekombinaciju. Koriste se kao markeri (VNTR). Mikrosateliti se nalaze rasuti po celom hromozomu: Karakterišu ih ponovci od 1 – 4 bp, u par stotina kopija. Takođe nepoznate funkcije.

14

ATT

ATTC ATTC ATTC ATTCATTC ATTC

ATTC ATTG ATTC ATTCATAT ATTC

ATTGCATTCCA ATTGCATTCCA ATTGCATTCCA ATTGCATTCCA

22. C-vrednost i evolutivna složenost organizama

Totalna količina DNK u haploidnom genomu je karakteristična za svaku vrstu i naziva se C-vrednost. Postoje ogromne varijacije u opsegu C-vrednosti od tako malih (c-vrednosti) kao kod mikoplazmi (manje od 106) do tako velikih kao kod nekih biljaka i vodozemaca (1011). Ukoliko posmatramo opseg C-vrednosti u različitim filumima možemo zapaziti povećanje minimalne veličine genoma sa povećanjem složenosti filuma, ali zajedno sa povećanjem u apsolutnim količinama DNK kod viših eukariota se primećuju i široka variranja u veličini genoma u okviru nekih filuma. Dakle, C-vrednost je povezana sa složenošću oragnizma kod nižih eukariota, ali široko varira među višim eukariotima.

Najmanji do sada identifikovani genom žive ćelije u stvari pripada eukariotu, jednoćelijskoj algi Pyrenomas salina i dugačak je 6,6 x 105 bp. (Ipak moguće je da ovi organizmi nisu pravi eukarioti, već međustupanj u evoluciji, koje predstavlja primitivno prisustvo jedra i hloroplasta).

Mikoplazme su najmanje prokariote, i njihov genom je jedva 3 puta duži od genoma nekog velikog bakteriofaga (T4-1,7 x 105).

Genom najmanjih bakterija je 2 x 106 bp. Jednoćelijski eukarioti (čiji način života može ličiti na prokariotski) imaju genome koji

su takođe mali, ali ipak veći od bakterijskih. To što su eukarioti ne podrazumeva samo po sebi ogromno povećanje genoma. Kvasac može imati genom veličine oko 1.3 x 107 bp. ć. samo dva puta veći od najvećeg bakterijskog genoma.

Dalje dvostruko povećanje genoma odgovara veličini genoma sluzave gljive D. discoideum koji može živeti ili kao jednoćelijski ili kao mnogoćelijski organizam .

Prvi potpuno višećelijski organizam je nematoda (crv) C. elegans čiji je DNK dugačak oko 8 x 107 bp. Penjući se dalje, evolucionom lestvicom odnos između složenosti organizma i DNK sadržaja postaje nejasan, mada očigledno postoji povećanje veličine od insekata, preko ptica ili vodozemaca pa sve do sisara. Dakle postoji postepeno povećanje u okviru koga postoji nekoliko vrlo zagonetnih izuzetaka. Npr. zašto bi žaba X. laevis imala istu genetičku složenost kao i čovek ?

U nekim filumima širenje veličine genoma je neravnomerno. Ptice, reptili i sisari pokazuju variranje u okviru filuma, a opsezi veličine genoma su u svakom od ovih slučajeva otprilike dvostruki. Ali u drugim slučajevima, najznačajnije kod insekata, vodozemaca i biljaka postoji širok opseg vrednosti često više nego desetostruki. ^oveku dođe da se zapita koliko bi obična kućna muva Musca domestica (8,6 x 108) trebalo da bude složenija u odnosu na vinsku mušicu (Driosophila melanogaster) čiji je genom 6 puta manji ć. 1,4 x 108.

Paradoks C vrednosti je dobio ime po raskoraku koji postoji između veličine genoma i genetičke kompleksnosti i iskazuje se na dva načina :

1. Postoji višak DNK u poređenju sa veličinom od koje bi se moglo očekivati da kodira proteine. Sada možemo da razumemo veliki deo tog viška zato što znamo da su geni dosta veći od sekvenci potrebnih da se kodiraju proteini (uglavnom zbog umetnutih sekvenci koje dele kodirajući region na različite segmente).

2. Postoje velike varijacije u C-vrednostima između određenih vrsta čija složenost naizgled ne varira mnogo. Kod vodozemaca najmanji genom je oko 109, a najveći oko 1011. Teško je poverovati da ovo znači 100 puta veći broj gena kod ovih drugih i zato ovaj višak DNK moramo pripisati nečemu drugom.

23. Mobilni genetički elementi eukariota

(dala Marina)Insercione sekvence Mehanizam transpozicije: replikativna transpozicija, nereplikativna transpozicijaMobilni elementi: klasa I ( DNK RNKDNK), klasaII (DNK DNK) Transpozoni kod kukuruzaMobilni elementi kod Drosophila i hibridna dizgeneza (P familija, koja izaziva abnormalnosti, porast mutacija)Mob. elem. kao izvor genetičke varijabilnosti (značaj za populacionu genetiku i evoluciju) Horizontalni prenos gena i mob. elemenataEukariotski transpozabilni elementi

Mnogi od eukariotskih transpozabilnih elemenata nose gene, međutim dok neki geni kodiraju enzime neophodne za sam proces transpozicije, funkcije većine ostalih gena su nepoznate.

15

Transpozoni biljaka

Biljni transpozoni imaju invertovane ponovke na svojim krajevima i stvaraju kratke direktne ponovke na target DNK u koju se integrišu. Efekat ovih transpozona je u opsegu od aktivacije ili represije gena koji se nalazi do mesta na koje se ugradio transpozon, do hromozomskih mutacija kao što su: duplikacije, delecije, translokacije, inverzije i prekidi hromozoma.

Kod kukuruza razlikujemo autonomne (mogu sami da se transponiraju) i neautonomne (nemogu se transponirati sami od sebe zato što im nedostaju geni koji kodiraju proteine neophodne za transpoziciju, pa im je zato potrebno prisustvo autonomnih elemenata koji ih snabdevaju ovim proteinima) elemente. Zbog toga autonomni elementi stvaraju nestabilne mutacije i nestabilne alele, a neautonomni stvaraju stabilne mutacije i stabilne alele.

Rad Barbare McKlintok:Veliki broj različitih gena funkcioniše zajedno kako bi se sintetisao crveni pigment

antocijan koji daje purpurnu boju zrnima kukuruza. Klasični genetički experimenti su pokazali da mutacija u bilo kom od ovih gena izaziva gubitak purpurne boje, i zrna su nepigmentisana (bela). U svojim experimentima Barbara je ispitivala pojavu da su neka zrna bela sa purpurnim tačkicama, umesto da su purpurna ili bela. Znala je da je takav fenotip rezultat nestabilnih mutacija, i posle pažljivih citoloških i genetičkih experimenata došla je do zaključka da ova pojava nije bila rezultat bilo kakve uobičajene mutacije, već da se može pripisati kontrolnim elementima, za koje mi sada znamo da su to transpozoni.

Objašnjenje za pegava zrna: Ako kukuruz ima WT alel C, zrno će biti purpurno. c mutacija sprečava proizvodnju purpurnog pigmenta i zrno je bezbojno. Tokom razvića zrna, dolazi do reverznih mutacija, koje stvaraju tačke purpurne boje. Genetička priroda reverzije je potvrđena činjenicom da potomci ćelije koja je ima revertirani alel takođe mogu da proizvode pigment. [to su se ranije u toku razvića dogodile reverzije, i purpurne tačke će biti veće. Barbara je utvrdila da je prvobitan nedostatak boje usledio zbog mutacije izazvane transpozonom nazvanim Ds koji je insertovan u C alel. Mi sada znamo da se ovo događa zbog transpozicije neautonomnog elementa. Još jedan transpozon nazvan Ac (Aktivator), za koji znamo da je autonomni element je potreban za transpoziciju Ds u gen. Ac takođe utiče i na transpoziciju Ds-a iz c gena, dajući wt revertanta (C), ć. purpurne tačke.

Kada se transpozon ubaci u gen, on će se posle mitoze naći na istom mestu i u genomu ćerki ćelija. I one će od majke naslediti recesivan fenotip. Bela tačka na purpurnom zrnu je u stvari deo tkiva zrna nastalog mitotičkim deobama mutirane ćelije.

Barbara je otkrija da Ac i Ds nisu uobičajeni genetički lokusi, jer se mogu pomerati na nove lokacije u genomu. Ds mutacije su stabilne ako u genomu postoje samo Ds transpozoni; ako postoje i Ac transpozoni, Ds mutacije su nestabilne. Ac i Ds su članovi iste familije. Svi Ds elementi imaju iste terminalne invertovane ponovke kao i Ac, i mnogi Ds su i nastali od Ac putem delecija različitih dužina.

Genetički dokazi ukazuju da su i vreme i frekvencija transpozicije Ac i Ds elemenata, kao i genetičkih rearanžmana koji su u vezi sa ovim elementima, regulisani u toku razvića. Ac se transponira samo tokom replikacije hromozoma. Ac se nalazi na jednom mestu na hromozomu, dođe do replikacije hromozoma, pa i tog mesta i imamo dva Ac elementa na dve hromatide.

Ac sa jedne hromatide se transponira: a.) na mesto na drugoj hromatidi

b.) na mesto na hromozomu koje se još nije replikovalo, pa kad se udvoji na dve hromatide i taj transpozon će se ponovo replikovati, pa ćemo finalno imati 3 transpozona na 2 hromatide.

Ty elementi kvasaca

Imaju mnogo strukturnih svojstava zajedničkih sa bakterijskim transpozonima. Imaju terminalne ponovljene sekvence, integrišu se na mestima sa kojima nemaju nikakvu homologiju, i stvaraju duplikaciju na target mestu (od oko 5bp) prilikom insercije.

Na svakom kraju imaju po jedan direktni LTR (koji se jos zove i ). Svaka delta ima promotor i sekvencu koju prepoznaju transpozaze. Ty element kodira jednu iRNK koja počinje sa promotora koji se nalazi na delti 5ž kraja. iRNK sadrži dva ORF-a što znači da se sa ove iRNK mogu sintetrisati dva proteina(TuA i TyB).

^est događaj je rekombinacija između dve delte na krajevima. Ovim se dobija oslobođeni Ty koji ima jednu deltu i jednu ostavlja za sobom u DNK domaćina. Ovi ostaci koji mogu biti rasejani svuda po genomu kvasca, se ne mogu transponirati, ali mogu uticati na ekspresiju kvasčevih gena zato što sadrže inicijalne signale za transkripciju. Ako se desi rekombinacija između delta ostataka duž kvasčevog genoma, može doći do delecija, translokacija i inverzija.

16

Mobilni elementi Drozofile:

Procenjeno je da je 15% genoma mobilno. Kopija retrotranspozoni na krajevima se nalaze direktni LTR (276 bp). Između njih se

nalazi segment od 5000 bp. Invertovani ponovci (17bp) su nađeni na krajevima svakog LTR. Oni su sposobni da se transponiraju samostalno putem RNK intermedijera koji koristi reverznu transkriptazu.

Hibridna dizgeneza je pojava niza defekata uključujući mutacije, hromozomske aberacije i sterilnost kada se određeni rodovi ukrste. Npr. dizgeneza nastaje kada se wt mužjaci ukrste sa laboratorijski uzgajanim ženkama. Mužjaci su P(paternal contributing cell type) citotip, a ženke M cititip (maternal contributing cell type).

24. Regulacija genske expresije kod prokariota i eukariota

(ima na papirima koje je dao Marinković)Neki izuzeci regulacije amplifikacijom – kod oocite Xenopusa i folikularnih ć. insekata i eliminacija delova

DNK – kod primitivnih eukariotaRegulacija se može vršiti na bilo kom koraku od DNA do proteina: kontrola transkripcije, obrade

primarnog transkripta, transporta, degradacija mRNA, kontrola translacijeBiohemijski, regulacija zahteva: regulatorne proteine , efektorne molekule i regulatorna mestaPromotor i terminatorRegulacija na nivou transkripcije je po principu negativne i pozitivne regulacije. Lac operon i Triptofan

operon – negativnaMaster gen regulatorni protein (neke gene aktivira, neke inhibira). Homeotic mutation – mutacije na

genima za master.Kod eukariota regulacija transkripcije vrši se i kontrolom kondenzacije hromatina

25. Fizički mutageni, mehanizmi njihovog delovanja na nasledni materijal

Zračenje može izazvati mutacije. Postoje dve kategorije zracenja: jonizujuće i nejonizujuce. UV zračenje je nejonizujuće. Ono je talasne duzine od 100 do 380 nm. Purinske i pirimidinske baze maksimalno apsorbuju na 260nm i proteini apsorbuju UV zrake zahvaljujući apsorpciji aromaticnih amino kiselina (max na 280 nm). Najbolje je istraženo delovanje UV zraka na bakterije. Posle zračenja bakterije gube sposobnost razmnožavanja. UV deluje inhibitorno na sintezu DNA, izaziva aberacije na hromozomima.

Postoji više efekata UV na DNA ali je najbolje izučeno stvaranje pirimidinskih dimera: timin-timin, timin-citozin, citozin-citozin. Najčešći su TT. To su dve pirimidinske baze povezane kovalentnim vezama, one dovode do distorzije DNA heliksa i prekida replikacije. DNA polimeraza može sa velikom verovatnoćom da nasuprot dimera ugradi pogrešan nukleotid. Ćelija se brani od dejstva UV zračenja reparacionim mehanizmima koji ispravljaju dimerom. UV dovodi do smrti ćelije samo ako je oštećenje veće od reparacionog potencijala ćelije.

Jedan oblik UV indukovanih mutacija je odgovoran za pojavu tumora i raka kože (a rak kože spada u najčešći tip kancera kod ljudi).

Fizički mutageni su elektromagnetni talasi. Što im je manje to im je energija veća i lakše se probijaju kroz materiju. Pri prolasku kroz materiju oni oslobađaju elektrone i jone u sudaru sa atomima i molekulima. Ovakav efekat imaju X zraci, , , zraci, protoni, neutroni.

Efekat jonizujućeg zračenja izražava se u centigrej jedinicama. To je opterećenje jedne elektrostatičke jedinice u 1 cm3. Približna je jedinica rad to je ukupna količina apsorbovane energije.

Postoje različiti izvori zračenja:¨kosmicki zraci¨zračenje iz zemlje¨unutrašnje zračenje (kada se u organizam unesu radioaktivne čestice)Dejstvo jonizujućeg zračenja je kumulativno. Ne postoje minimalne doze koje ne izazivaju efekat (nema

donjeg praga).Zračenje može izazvati fragmentaciju hromozoma, numeričke i strukturne aberacije: aneuploidije, prekidi,

delecije, translokacije, ring hromozomi.Aneuploidija je posledica nepravilnog razdvajanja hromatida u anafazi mitoze, raste sa starošću majke. Efekti zračenja na nivou gena: Indukovanje mutacija jonizujućim zračenjem nije kvalitativno novi

fenomen već se radi o povišenju učestalosti normalnih mutacionih procesa.Kao dominantne mutacije koje se javljaju usled zračenja su skeletne (kratki udovi) i katarakt mutacije.

Najdrastičnije fenotipske manifestacije genskih mutacija izazvanih zračenjem su smanjenje vitalnosti

17

organizma, odnosno opšte adaptivne vrednosti uključujući i letalnost. Ovo može biti posledica mutacija na pojedinim genskim lokusima, ali je češće u poligenim sistemima.

Faktori koji utiču na genotoksični efekat jonizujućeg zračenja:Zavisnost od kiseonika – povećana osetljivost ćelija na zračenje u prisustvu kiseonika. Ovo se naziva

kiseonični efekat. Međutim većina organizama pokazuje povišenu osetljivost i pri minimalnim konc. kiseonika onda se ovaj fenomen zove hipoksični efekat. Sam kiseonik ne može izazvati mutacije ni onda kada mu je parcijalni pritisak veći nego u vazduhu. Uloga kiseonika pri zračenju je u formiranju peroksida. Pod dejstvom jonizujućih zraka voda se jonizuje, a kada se tu nađe i kiseonik dolazi do interakcije i nastaje H2O2 – vodonikperoksid. H2O2 je jako reaktivan i izgleda direktno ili indirektno odgovoran za indukciju mutacija. I u normalnim enzimskim procesima nastaje mala količina H2O2, pa je možda odgovoran za spontanu mutabilnost.

Zavisnost od faze ćelijskog ciklusa - mlađe i manje diferencirane ćelije su osetljivije na zračenje. Kako se smanjuje sposobnost ćelije za deobu tako se smanjuje i njena osetljivost na zračenje. Ako je zračenje u G1 u metafazi se vide strukturne aberacije na hromozomima. U S fazi su i hromozomske i hromatidne aberacije. U G2 fazi su uglavnom hromatidne aberacije.

G1 faza ima manju osetljivost, osetljivost se povećava u S i G2 fazi. Zračenje može da dovede do kašnjenja mitoze. Razlike u osetljivosti su zbog promena u ćeliji ( količina kiseonika, stepen hidratacije, stepen spiralizacije hromozoma...).

Ćelije u mejozi su znatno osetljivije na zračenje od ć. u mitozi.Najosetljiviji su diploten, dijakinezis i II provaza. Kod spermatogeneze su najosetljivije rane spermatide i spermatocite II reda , u oogenezi su najosetljivije primarne oocite.

Zigoti postaju osetljiviji na zračenje kada počne brazdanje. Što se tiče složenosti organizma oni koji su na nižem stupnju evolutivne lestvice su manje osetljivi od

složenijih organizama. UV zraci su jedino nejonizujuće zračenje sposobno da poveća fragmentaciju hromozoma i učestalost mutacija iznad nivoa spontanih mutacija. Ovo su elektromagnetni zraci većih talasnih dužina, manje energije i manje prodornosti u živa tkiva nego X i γ zraci. UV ne mogu izazvati jonizaciju već deluju na jedinjenja koja ih direktno apsorbuju. Nukleinske kiseline najbolje apsorbuju fotone UV zraka, proteini slabije, a ostala jedinjenja u ćeliji još slabije.

Među azotnim bazama DNK pirimidini apsorbuju velike doze UV zraka. Pirimidini su oko 10 puta osetljiviji od purina. Primarno dejstvo UV zraka je u fotolizi pirimidina i obrazovanju pirimidinskih dimera između susednih molekula pirimidina. Koliđina dimera, kao i to da li će biti TT, CT ili CC zavisi od doze i talasne dužine UV zraka.

Veće doze UV zraka izazivaju smrt gljiva i bakterija pa se koriste za sterilizaciju vazduha pri radu sa kulturama tkiva.

Pirimidinski dimeri blokiraju funkciju DNK i RNK polimeraza i remete proces replikacije.

TEMPERATURA KAO MUTAGENI FAKTOR

Zračenje i temperatura spadaju u fizičke genotoxične agense.

Temperatura može biti i mutagena i genotoxična.

Uticaj temperature se može proučavati izlaganjem organizma povišenoj ili smanjenoj temperaturi, a zatim se analiziraju promene na naslednom materijalu.

Povišenje temperature izaziva unos energije u sistem sto dovodi do povišenja kinetičke energije atoma i molekula u ćeliji. Povišenje energije dovodi do :

1. ubrzavanja hemijskih reakcija

tako da excitirani molekuli mogu lakše da reaguju

2) ubrzavanja enzimskih reakcija

tako da je opšti metabolizam u ćeliji povišen; ovo povišenje temperature ne sme biti toliko da dovede do denaturacije

3) frekvencija sudara molekula se povećava

tako da u toku direktnih sudara sa DNK može doći i do raskidanja veza unutar molekula DNK što bi se manifestovalo pojavom jednolančanih pa i dvolančanih prekida u molekulu.

Povišenje temperature može da dovede i do dezaminacije citozina pri čemu se dobija uracil. Uracil nije normalan konstituent DNK te dovodi do distorzije molekula, distorzija zaustavlja životno važnu replikaciju i aktiviraju se konstitutivni reparacioni mehanizmi.

18

Povišenje temperature takođe izaziva indukciju transpozicije transpozona. Ovaj proces može biti praćen promenom genske expresije bilo njenim smanjenjem ili povećanjem. Promena expresivnosti može dovesti do razvoja tumora ako je u pitanju neki od regulatornih enzima zahvaćen transpozicionim procesom. Takođ e može doći i do potpune inaktivacije gena ugradnjom transpozona u njegovu informativnu ili kontrolnu sekvencu; ovaj događaj takođe može biti početak kancerogeneze ili mutageneze.

Promene u temperaturi mogu i da dovedu do inaktivacije reparacionih mehanizama. Njihova inaktivacija u sadejstvu sa mogućim lezijama imaju letalan išod po organizam

Sždruge strane i snižavanje temperature dovodi do povećanja stope mutabilnosti. Smanjenje temperature je stresna situacija za organizme, naročito one koji imaju stalnu telesnu temperaturu. Stanje stresa je praćeno fiziološkim odgovorom koji izmežu ostalog obuhvata povećanje koncentracije kortikosteroida: adrenalina i noradrenalina. Hormoni u organizmu regulišu mnoge procese, njihova povećana koncentracija dovodi samo do ubrzavanja tih procesa, ubrzavanje u nekim slučajevima podrazumeva smanjenu kontrolu što može dovesti do grešenja i nagomilavanja ovih grešaka, te je povećanje koncentracije hormona genotoxično.

Razlozi mutabilnosti i genotoxičnosti pri povećanju temperature su kinetičke prirode usled povišenja energije sistema/ćelije; dok sniženje temperature rezultuje u fiziološkom odgovoru.

 Temperaturno senzitivne mutacije

su klasa genskih mutacija koje nisu izazvane variranjem temperature, to su već postojeće mutacije koje se samo exprimiraju na nekoj određenoj temperaturi najčešće na povišenoj.

26. Hemijski agensi i njihov genotoxični efekat

Postoji više grupa hemijskih mutagena:o genotoksični agensi prirodnog poreklao ---- II ---- industrijskih procesao farmaceutska sredstva (antibiotici, narkotici, kontraceptivi)o pesticidio agensi iz hraneo agensi vodeo kozmetička sredstvaSamo mali broj agenasa su direktni mutageni, većina nije mutagena in vitro (ne reaguje sa nukleinskim

kiselinama ili proteinima). Ova jedinjenja prolaze kroz endogenu metaboličku transformaciju promutagena (prokarcinogena) u aktivni mutagen (karcinogen). Ovo je neželjena posledica mehanizama za detoksifikaciju.

Hemijski mutageni/karcinogeni su visoko reaktivni prema nukleinskim kiselinama i proteinima. Za mnoge se ne zna mehanizam delovanja.

Visoko reaktivna su nitrozo-jedinjenja, značajni su nitrozo amini. Njima nije potrebna metabolička aktivacija.

Posebna vrsta interakcije mutagena sa DNK su nekovalentne interakcije. To može biti interkalacija (umetanje molekula mutagenaizmeđu parova baza – unutar DNA heliksa) ili adlineacija (spoljašnje vezivanje, interakcija je na mestima koja ne učestvuju u vodoničnim vezama naspramnih baza).

Za sada nije otkriven neki agens koji bi reagovao sa RNA, a da nema dejstvo na DNA.Strukturne i funkcionalne posledice delovanja hemijskih agenasa su apurinska i apirimidinska mesta,

pojava izmenjenih baza (metil ili etil derivati odgovarajućih baza), pojava ukrštenih veza- cross links (to je nastanak veze između dva nukleofilna centrajednog polinukleotidnog lanca - intralančane veze ili između dva lanca – interlančane. Ove lezije inhibiraju replikaciju DNA), soli teških metala dovode do prelaska premutacionih lezija u tačkaste mutacije, interkaliranje izgleda dovodi do framešift mutacija.

Neki agensi imaju specifičan afinitet prema pojedinim vrstama proteina koji su u stvari receptori za te mutagene. Interagujući sa njima proteini štite osetljiva reaktivna mesta mutagena do njihovog prelaska u jedro.

27. Biološki mehanizmi reparacije oštećenja molekula DNK i njihov značaj

Reparacioni mehanizmi (kod Branke Vasiljević)Direktni: alkiltrensferaze (ada reparira O6 metilguanin)

fotoreaktivacija (DNK fotoliaza)Indirektni: reparacija isecanjem modifikovanih baza

mismatč repair ( polimeraza III)eksciziona reperacija

19

postreplikativna rekombinacijaSOS

Error prone su postreplikaciona rekombinaciona reparacija i SOS

28. Primena tehnologije rekombinovane DNK

29. Genetička osnova imunog odgovora30. Genetička varijabilnost antitela. Somatske rekombinacije gena

Imunoglobulini i T ćelijski receptori su analozi. Proteini su slične strukture, a geni su slične organizacije. To je superfamilija nastalla od zajedničkog pretka.

Antitela koja stvaraju B limfociti su tetrameri i sastoje se od 2 identična teška i 2 identična laka lanca. Svaki od ovih lanaca se sastoji od N terminalnog varjabilnog regiona i C terminalnog konstantnog regiona.

Varijabilni (V) domen nastaje udruživanjem varjabilnih regiona lakog i teškog lanca. Ovaj domen prepoznaje antigen.

Konstantni region nastaje od nekoliko individualnih C domena. Prvi domen nastaje od CL regiona lakog i ČL regiona teškog lanca. Drugi deo nastaje samo od teškog lanca.

V geni kodiraju varijabilne regione, a C geni konstantne regione. V gen mora biti fizički povezan sa C genom da bi se eksprimirali. To znači da dva gena kodiraju jedan lanac. Bilo koji od V gena može se povezati sa bilo kojim od C gena . Ovo je somatska rekombinacija.

Ovo je skoro isto kod receptora na T ćelijama. Postoje 2 tipa receptora : jedan čine i , a drugi i .Najvažnija činjenica u vezi sinteze imunoglobulina je da je aranžman V i C gena različit u ćelijama koje

proizvode imunoglobuline ili T receptore od svih ostalih somatskih ćelija i išodnih germinativnih ćelija. Postoje dve familije imunoglobulinskih lanaca ( kapa i lambda) i jedna familija teških lanaca. Svaka

familija se nalazi na različitim hromozomima i ima svoje V i C gene.Lambda laki lanac nastaje iz dva dela. V gene čini liderski ekson (L) odvojen intronom od varjabilnog

segmenta (V). C gen čini J segmenta odvojen intronom od konstantnog (C) regiona. Više puta se ponavlja J intron C. Za J se vezuje V segment. VJ segment kodira ceo varijabilni region.

Kapa lanac isto nastaje iz 2 dela. Isto L i V segmenti. Ovde ide pet J pa onda jedan C. J koji se iskoristi postaje terminalni deo varjabilnog regiona. J koji su sa leve strane od iskorišćenog biva izgubljen, a J segmenti sa desne strane od iskorišćenog se tretiraju kao introni.

Prilikom konstrukcije teškog lanca potreban je i dodatan segment D. Veći broj D segmenata nalazi se na hromozomu između V i J. Povezivanje VĐ je u 2 koraka. Prvo se povezuje jedan od D i J segment, pa onda V sa ovim Đ. Ovo dovodi do ekspresije susednog C lanca.

Varijabilni geni i kod lambda i kapa i teških lanaca su slične organizacije. Prvi ekson kodira signalnu sekvencu (potrebna za vezivanje za membranu), drugi ekson kodira glavni deo varijabilnog regiona. Ostatak obezbeđuje D segment (samo u teškoj familiji) i J segment (u sve tri).

Limfocit proizvodi ili lambda ili kapa laki lanac koji se povezuje sa teškim lancem.Kombinovanjem jednog od 300 V gena sa bilo kojim od 4 do 5 J segmenata, lokus za laki lanac ima

potencijal za 1200 do 1500 lanaca. Za teški lanac se kombinuje bilo koji od 300 V , 20 D i 4 J segmenata, to je 4000 varjabilnih regiona.

Na granicama svih segmenata nalaze se iste konsenzus sekvence. Svaka kons. sekvenca ima heptamere razdvojene sa 12 ili 23 bp (spacer ili margina) od nonamera. Pravilo je da se konsenzus sekvenca sa jednim tipom margine može spojiti samo sa konsenzus sekvencom sa drugim tipom margine.

31. Dozna kompenzacija. Inaktivacija hromozoma

Barr i Bertrame su u jedrima nervnih ćelija mačke našli trouglastu bazofilnu masu koje nije bilo u ćelijama mužjaka. Kasnije je ovo pronađeno i kod žena. Nazvano je »seks hromatin« ili Barovo telo. Polni hromatin je obično uočljiv u interfazi i to samo u somatskim ćelijama. Kasnije su otkrili da se jedan hromozom više boji od svog parnjaka (nazvan heterohromatičan). U formiranju polnog hromatina učestvuje ovaj heterohromatičan X hromozom. Ovaj hromozom je genetički neaktivan. Normalne XX ženke imaju Barovo telo, a normalni XY mužjaci nemaju.

Russell je istraživao i zaključio: U somatskim ćelijama aktivan je samo jedan X hromozom bez obzira na broj prisutnih X

hromozoma Izbor X hromozoma koji će biti aktivan je slučajan. Ne zavisi od toga da li je hromozom poreklom od

oca ili majke. Telo ženke sisara je u stvari mozaik od 2 populacije ćelija ( u jednima je aktivan majčin, a u drugima očev X)

Kada se izvrši diferencijacija na aktivan i neaktivan X u ranoj embriogenezi, ona ostaje efikasna i istog tipa kod svih ćelija potomaka.

20

Po ovome ispada da mužjak i ženka sisara imaju jednake količine produkata koje determinišu geni na X hromozomu. To izjednačavanje genskog dejstva kod različitih polova zove se efekat doze delovanja gena. Kod autozomnih gena učestvuju parovi alela, a kod X hromozoma je aktivan pojedinačni alel.

Sisari mogu da tolerišu abnormalnosti kod seksualnih hromozoma, dok bilo koja varijacija u broju autozomalnih hromozoma je obično letalna.Ovo je zbog dozne kompenzacije - mehanizam kod sisara, koji kompenzuje X hromozom kada ga ima u višku (misli se na X), a takav mehanizam ne postoji za autozome.

☻Dešava se da žene heterozigotne za genske lokuse na X hromozomu mogu imati inaktiviran (u većini slučajeva) X hromoz. koji nosi normalni alel. Fenotip tih žena je sličan fenotipu obolelih osoba, mada mutirani alel nije dominantan. Ovo se zove »lajonizacija« po naučnici koja je to ispitivala. ☻

U Rusellu piše da je lajonizacija - inaktivacija jednog X hromozoma, koji onda formira Barovo telo. Broj Barovih tela je broj X hromozoma minus jedan. To je dozna kompenzacija kojom se minimizira efekat multipnih kopija X gena.

☻ Nisu dovoljno poznati mehanizmi koji dovode do inaktivacije jednog X hromozoma. Izgleda da su oba aktivna u prvim danima razvića, a inaktivacija se dešava oko perioda implantacije. Postoji nekoliko teorija o inaktivaciji :

na samom X hromozomu se nalazi lokus koji proizvodi supstancu koja inaktivira X hromozom na jedarnoj membrani postoji ograničen broj mesta za koje se mogu vezati hromozomi. Za X

hromozom postoji samo jedno mesto i onaj koji se veže će biti aktivan. Onaj koji se ne veže biće više spiralizovan i kasniće sa replikacijom. Ovo je mehanički model inaktivacije,ali izgleda da nije tačna jer se danas se odbacuje hipoteza o inicijaciji replikacije na mestu kontakta sa membranom.

kontrola pomoću dva gena. Jedan lokus je vezan za autozome i on stvara protein koji kontroliše drugi lokus koji je na X hromozomu. Ako gen na autozomu dolazi od oca on je neaktivan, ako dolazi od majke onda on stvara protein. ☻ ovo je iz Marinkovića

Po Rusellu : Proces inaktivacije počinje u X-inaktivacionom centru (XIC) i širi se u oba smera. Otkriven je XIST gen koji se eksprimira sa inaktivnog X hromozoma, a ne sa aktivnog (ovo je suprotno od ostalih gena na X). XIST kodira RNK koja se ne prevodi u protein.

XIST je kloniran i ubačen u autozom muške ćelije u kulturi. Transgeni miševi sa ovim genom su imali inaktivirane ili X ili autozome. Muške modifikovane ćelije su pokazivale kosobine tipične za ženske ćelije. Znači XIC i XIST su dovoljni za brojanje i početak inaktivacije X hromozoma.

32. Genetička kontrola razvića i diferencijacije

Tokom embrionalnog razvića od oplođenog jajeta nastaju razne vrste ćelija. Genom diferenciranih ćelija ostaje isti dakle ono što se menja je ekspresija gena. Neke razlike među ćelijama u ranom embrionu nastaju zbog nejednake raspodele citoplazmatičnih determinanti, koje se nalaze u jajetu pre brazdanja, međutim većina razlika nastaje kasnije zbog lokalno različitog okruženja ćelija u embrionu.

Indukcija je uticaj jedne grupe ćelija na druge (da se diferenciraju na različit način). Induktivni signali su mRNK i proteini. Kod Xenopusa je mRNK majke lokalizovana na vegetativnom polu jajeta.

Na primer kod Xenopusa animalne i vegetativne ćelije u ranom embrionu nasleđuju različite citoplazmatske determinante i uticaj vegetativnih ćelija indukuje da neke animalne daju mezoderm (umesto ektoderma). Ova indukcija mezoderma je izgleda u vezi sa familijom proteinskih faktora rasta koji pomažu u regulaciji rasta i diferencijacije kod odraslih organizama.

Morfogeni su signalne supstance koje secretuju sa jednog mesta, pri čemu je koncentracija morfogena najveća na tom mestu, a opada sa udaljavanjem. Gradijent morfogena kontroliše ponašanje ćelija u zavisnosti od njihove udaljenosti od izvora morfogena.

Sisarska jaja su izuzetak jer su simetrična. Zato sve ćelije u početku liče i postaju različite zbog međusobnih interakcija. Do stupnja od 8 ćelija, ćelije su totipotentne (mogu se diferencirati na različite načine). Kroz međućelijske interakcije ćelije iz dva različita embriona miša mogu uskladiti svoje sudbine (fate) i zajedničkom radom stvoriti himernog miša. Ćelije iz ranog embriona miša koje se odvoje od normalnog uticaja svojih suseda, nepravilno proliferišu i daju treatokarcinome. Iz tih karcinoma se mogu dobiti embrione stem ćelije. Kada se ove ćelije implantiraju u normalni embrion miša, one se vraćaju na normalno ponašanje, diferenciraju se šodno okruženju gde su se našle i tako doprinose stvaranju zdrave himerne životinje.

(Regulacija aktivacije gena može biti na dva nivoa: na nivou transkripcije i translacije)Različiti geni se aktiviraju tokom razvića npr. hemoglobinska familija, ali i u različitim tkivima kao aktinska

familija (o ovome ima u Eukariotama)

33. Genetička determinacija razvića pola

Pol organizma koji će se razviti iz opolođenog jajeta zavisi od više faktora, najvažniji je genetički. Progamni tip determinacije pola : ženke proizvode dva tipa jaja i kako god da su oplođena iz krupnih

se razvijaju ženke, a iz sitnih mužjaci.

21

Epigamni tip : kada pol zavisi od uslova pod kojima se zigot razvija. Ovde se pol određuje naknadno, zavisno od uslova sredine. Primer kod crva Bonellia ako se zigoti razvijaju u telu majke to će biti mužjaci, a oni van majke će biti ženke

Singamni tip: ovo je kod najvećeg broja organizama. Pol zavisi od tipa gameta koji učestvuje u oplođenju

Mužjaci mnogih vrsta imaju dva različita polna hromozoma: X i Y. Mužjaci su heterogametni pol, a ženke homogametni pol(X X). Ovaj tip je kod Drosophila, riba i sisara, i dvodomih biljaka.

Kod pravokrilaca, tvrdokrilaca, paukova , nematoda ženke su XX, a mužjaci XO.Kod nekih riba, ptica i leptira mužjaci su homogametni XX, dok su ženke XO ili XY. Češće se

obeležavaju mužjaci ZZ, a ženka ZW ili ZO.Postoje dokazi da i ženke i mužjaci sadrže gene za oba pola : pol se može menjati delovanjem hormona (

mlada kokoška se dejstvom hormona pretvara u petla).Balansna teorija determinacije pola : pol kod Drosophila nastaje kao rezultat sadejstva gena na

autozomima i X hromozomima. Y ima malo uticaja na razvoj pola, nađeni su i mužjaci sa XO hromozomima. Geni koji su smešteni na X hromozomima uslovljavaju razvoj ženskih osobina, a geni na nekim autozomalnim hromozomima su zaduženi za muške osobine.U zavisnosti od toga na koju se stranu poremeti ravnoteža dolazi do razvoja muškog ili ženskog pola. Ovo se zove X hromozom – autozom balansni sistem determinacije pola.

Normalna ženka ima odnos X:Autozomima je 1, a kod mužjaka 0,5.Ako je:X:A veće ili jednako 1 mušica će biti ženka, a ako je manje ili jednako 0,5 biće mužjak. Ako je između 1 i

0,5 onda nije ni muško ni žensko, to je intersex.Povećanje X hromozoma ma kojim fragmentom vodi interseksualnost ka ženskom polu, a delecije na

ovom hromozomu vode ka muškom polu. X sadrži faktore koji determinišu ženski pol i oni imaju aditivno dejstvo, raspoređeni su duž celog hromozoma.

Fiziološka teorija determinacija pola je u okviru balansne teorije. Ona se takođe zasniva na ravnoteži delovanja odgovarajućih grupa gena. U ovoj teoriji geni koji dovode do razvoja muškog pola kod leptira gubara su na X, a geni za ženski pol su na Y.

Kod sisara Y je nosilac naslednih faktora za muški pol. To se zove mehanizam Y hromozoma za determinaciju pola. Kod sisara (znači čoveka) muški pol su oni koji imaju Y hromozom, a oni kojima on nedostaje su ženke. Tarnerov sindrom – to su ženske jedinke koje imaju XO: one su sterilne, ne razvijaju sekundarne ženske polne karakteristike. Ovo znači da je za razvoj normalnih ženki potrebno da postoje dva X hromozoma.

Klinefelterov sindrom – mužjaci koji imaju XXY: oni imaju slabo razvijene testise, često su viši od proseka, kod nekih se vide donekle razvijene grudi. Slične osobine se javljaju i kod drugih poremećaja – XXXY, XXXXY, XXYY. Znači da je sa normalan razvoj kod mužjaka potreban jedan X i jedan Y.

Na Y hromozomu kod sisara postoji TDF geni , to su testis determiating factor. Produkt ovog gena podstiče razvoj gonadalnih primordija u testise , a ne u jajnike.

S obzirom da Y hromozom određuje muški pol kod placentalnih sisara, pretpostavljeno je da Y hromozom nosi važan gen ili gene koji kodiraju proizvod koji podešava diferencranje organizma ka muškom polu. Proizvod je nazvan TDF (testis - determining faktor), a odgovarajući hipotetički gen TDF - gen. TDF faktor izaziva razvoj gonadalnih primordija u testise, a ne u jajnike. Ovo je ključni događaj u determinaciji pola kod mnogih sisara; sve ostale razlike između polova su sekundarni efekti koji nastaju kao posledica delovanja hormona sintetisanih u gonadama. Dakle determinacija pola je isto što i determinacija testisa.

Kod ljudi i miševa je nađen i kloniran SRY (sex - determining region Y) gen i to je najverovatnije TDY gen. Kako je ovaj gen otkriven? U ljudskim populacijama postoje žene sa XY hromozomima i muškarci sa XX i za takve osobe se kažu da pokazuju reverziju polova. Pretpostavljeno je da osobe koje imaju reverziju polova imaju i promene u sex hromozomu koje utiču na TDF. I zaista XX muškarci su imali mali fragment (sa vrha manje ručice) Y hromozoma odlomljen tokom gametogeneza i prikačen za X hromozom. Kod XY žena, došlo je do delecija tog regiona Y hromozoma.

Proteini koji su kodirani od strane SRY su verovatno transkripcioni faktori, što znači da se oni vezuju za DNK i regulišu expresiju gena, najverovatnije onih uključenih u diferencijaciju testisa.

34. Promene na genetičkom materijalu tokom starenja

Ćelijsko starenje nije jasna ni funkcija ni maehanizmi po kojima se odvija. Ima više teorija: * starenje je rezultat nagomilanih mutacija koje rezultuju nepravilnostima u ćel. reprodukciji* rezultat mehanizama koji nas čuvaju od kancera ograničavajući rast tumoraMeđutim postoje dobri argumenti protiv obe hipoteze. Zna se da stopa starenja zavisi od koncentracije

faktora rasta u medijumu. Možda je odgovor po pitanju starenja u telomerama ( specijalne repetitivne sekvence na krajevima

hromozoma). Ove sekvence se ne replikuju kao ostatak genoma već ih sintetišu enzimi telomeraze, koji

22

prave randomske promene u broju ponovaka telomernih sekvenci. Starenje ćelije je tesno povezano sa smanjivanjem broja ponovaka, možda je starenje izazvano skraćenjem telomera. Možda su somatske ćelije deficitne u telomerazama (za razliku od germ ćelija koje se neprestano dele i besmrtne su).

35. Genetička uslovljenost kancera; protoonkogeni i tumor-supresor geni36. Mehanizmi aktivacije protoonkogena37. Genetička uslovljenost kancera; retrovirusi

Ponekad se dešava da proliferišuće ćelije i ćelije koje se diferenciraju skrenu sa svog normalnog genetičkog programa i stvore masu tkiva koje se naziva tumor ili neoplazija - nestaje regulacija ćelijske deobe i ona se nekontrolisano odvija. Proces kojim ćelija gubi sposobnost da se normalno deli i diferencira naziva se transformacija. Ova neobuzdana proliferacija i migracija ćelija se naziva kancerogeneza ili onkogeneza. Transformisana ćelija se deli i daje klonove. Sa produženom proliferacijom, mnoge ćelije-klonovi razvijaju niz hromozomskih abnormalnosti (višak hromozoma, manjak hromozoma, delecije, duplikacije, translokacije). Iako je nađen veliki broj hromozomskih abnormalnosti u kancerogenim ćelijama, mali broj abnormalnosti se javlja konzistentno u određenim ćelijama kancera. Ako transformisane ćelije ostanu zajedno u jedinstvenoj masi, za tumor se kaže da je benigan. Ako ćelije tumora prodru u druga tkiva i tamo proliferišu, za tumor se kaže da je maligni i zove se rak. [irenje malignih ćelija po telu naziva se metastaza.

Postoje mnogi uzroci onkogeneze: spontane genetičke promene, izlaganje mutagenima, zračenju i virusima koji izazivaju rak. Postoji takođe i nasledna predispozicija za rak.

Pejton Raus je prvi otkrio povezanost određenih gena sa transformacijom normalnih ćelija. On je extraktom pilećeg sarkom indukovao nastanak istog tumora kod zdravih pilića. Agens, koji je "preneo" bolest je virus i to Rausov virus sarkoma (RSV). To je RNK virus iz grupe retrovirusa.

Retrovirusi poseduju RNK genom u dve kopije. Genom retrovirusa čine tri gena: gag, pol i env. U ćeliji, njihova RNK se prepisuje u ssDNK pomoću reversne transkriptaze, a zatim se konvertuje u dsDNK, koja se zatim inkorporira u genom domaćina, pritom duplicirajući sekevencu u koju se inkorporira. Inkorporisana virusna DNK se prepisuje u RNK, koja će biti upakovana u sintetisane virusne kapside, posle čega dolazi oslobađanja virusa.

Gen, koji indukuje nastanak sarkoma pilića, se naziva src. On se označava kao onkogen (v-onc) i to je mutirana forma ćelijskog protoonkogena (c-onc). Protoonkogeni su geni koji u ćeliji imaju vrlo važne funkcije – njihovi proteinski produkti su: faktori rasta, receptori faktora rasta, prenosioci signala ili modulatori enzima koji učestvuju u signalnoj transdukciji (protein-kinaze, npr. c-src) i transkripcioni faktori. Onkogeni, dakle, indukuju ili održavaju nekontrolisanu proliferaciju ćelija. Razlika između onkogena i protoonkogena je ta da onkogeni nemaju introne. Retrovirusi koji nose onkogene su defektni akutni transformišući retrovirusi, jer prenose, transdukuju onkogen u ćeliju domaćina, pa se nazivaju i transdukujućim virusima. Oni koji ne nose onkogene su neakutni ili nedefektni retrovirusi. Defektni retrovirusi se tako nazivaju jer, pri izlasku iz ćelije u njih biva spakovana RNK koja sadrži prepis dela genoma ćelije i to baš onkogena ili njegovog dela, a pritom deo virusnog genoma biva izgubljen, npr. delecijom, i sada taj virus ostaje sposoban za infekciju, ali ne i za razmnožavanje u novom domaćinu, jer mu fali deo genoma. Defektni virusi mogu dati potomstvo samo ako je u ćeliji prisutan i helper-virus koji komplementira potrebne funkcije defektnog virusa. RSV je izuzetak, jer i pored onkogena koji nosi, zadržava sposobnost razmnožavanja u ćeliji. Transdukovani onkogen biva ugrađen u novom domaćinu na mesto bez kontrole expresije ili na mesto ispred kog postoji jak promotor, čime se onkogen exprimira preko normale. Takođe, ako je onkogen oštećen (npr. ako je virus preneo samo neke exone), njegovom expresijom može nastati defektni protein, kome nedostaju mesta odgovorna za inaktivaciju i degradaciju. Osim ovoga, do onkogeneze može doći i insercijom jakih virusnih promotora i enhensera iz 5ž-LTR.

RNK virusi koji uzrokuju tumore su iz grupe retrovirusa (RSV, MMTV, virus leukemije mačaka...), dok samo nekoliko DNK virusa (Epštajn-Bar, papiloma virus, herpesvirus, adeno virus, SV40...) uzrokuje tumore i to drugačijim mehanizmom od retrovirusa. Svejedno, mali procenat tumora kod ljudi ima uzrok u virusnoj infekciji.

DNK virusi takođe inseriraju svoj genom u ćeliju domaćina, posle čega dolazi do replikacije i pakovanja u kapside. Ponekad do ovoga ne dolazi i virusni proteini indukuju proliferaciju ćelije.

Nisu samo virusi odgovorni za transformaciju protoonkogena. Od ukupno oko 50 identifikovanih onkogena, samo 20 je prisutno kod retrovirusa. Protoonkogeni se mogu transformisati u onkogene i tačkastim mutacijama, translokacijma, delecijama, amplifikacijama, pod dejstvom mutator gena (koji su odgovorni za tačnost replikacije ili su uključeni u reparaciju, pa njihova mutacija izaziva akumulaciju grešaka).

ras familija gena kodira protein uključen u transdukciju signala. Zamena Gly12 → Leu12 daje H-ras onkogen, Gln61 → Arg61 daje N-ras onkogen a Gly12 → Arg12 K-ras onkogen. Ove mutacije izazivaju gubitak mogućnosti kontrole proteinskog produkta, pa je on stalno u stanju "on" u transdukciji signala.

Kod hronične mijeloidne leukemije dolazi do translokacije c-abl protoonkogena sa hromozoma 9 na hromozom 22, pri čemu se fuzionišu c-abl i segment bcr i nastaje Filadelfija hromozom. Ova fuzija izaziva

23

prekomernu expresiju c-abl gena. Kod Burkitovog limfoma c-myc sa hromozoma 8 je translociran na hromozom 14 u region Ig gena, koji poseduju jake promotore.

Kod Wilmsovog tumora bubrega dolazi do delecije kratkog kraka hromozoma 11.Kod neuroblastoma članovi myc familije se amplifkuju u nekoliko stotina kopija.Proteinski produkti protoonkogena se nalaze asocirani sa ćelijskom mebranom, u citolazmi i u jedru.

Npr., c-jun ima ulogu transkripcionog faktora. On dimerizuje sa produktom fos gena. Smatra se da v-jun ima izmenjenu sposobnost aktiacije transkripcije.

Antionkogeni ili tumor-supresor geni su geni koji inhibiraju proliferaciju ili utiču na apoptozu. Njihova funkcija je dominantna; ako se fuzionišu transformisana i normalna ćelija, rezultujući hibrid je normalna ćelija, jer tumor-supresor gen inhibira rast tumora. Mutacija tumor-supresor gena olakšava kaskadu događaja koja vodi do kancerogeneze. Naravno, potrebno je da oba alela tumor-supresora budu inaktivirana.

Rb-1 je tumor-supresor gen na hromozomu 13. Odsustvo njegovog produkta izaziva maligni tumor retine (retinoblastom). Osobe sa retinoblastomom su nasledile jedan mutirani alel i kao heterozigoti nisu imale bolest. Međutim, verovatnoća mutacije i drugog alela je velika i do nje dolazi pre ili kasnije, tako da će svaki heterozigot mutirati u homozigotno stanje i razviti bolest. Zato se kaže da je ova mutacija recesivna na ćelijskom nivou (potrebno je da oba alela budu mutirana da bi se bolest razvila), ali se dominantno nasleđuje, jer ko nasledi jedan mutirani alel, sigurno će mu se i drugi inaktivirati. Do inaktivacije drugog alela može doći delecijom, mutacijom, gubitkom hromozoma, mitotičkom rekombinacijom. Sve ovo jesu retki događaji, ali pošto postoji veliki broj ćelija retine, velika je i verovatnoća da će se bar u jednoj ovo desiti. Inače Rb-1 kontroliše prelaz G1 → S.

Produkt p53 gena (koji se nalazi na hromozomu 17) ima dve funkcije. Zaustavlja deobu ćelije ukoliko su prisutna oštećenja, da bi ćelija imala vremena da ih ispravi. Ako se greške ne isprave, ovaj protein indukuje ulazak u apoptozu, čime se sprečava stvaranje klona mutirane ćelije. Mutacija ovog gena upravo dozvoljava da mutirana ćelija nekontrolisano proliferiše. p53 funkcioniše kao transkripcioni faktor. Do mutacije može doći tačkastom mutacijom ili delecijom.

Neki tumori, kao karcinom debelog creva nastaju sukcesivnim inaktivacijama i aktivacijama pojedinih gena, među kojima su i protoonkogeni i tumor-supresor geni.

POPULACIONA GENETIKA

Genetička varijabilnost uopšte

Genetička struktura populacija može varirati u vremenu i prostoru. To znači da frekvencija i distribucija alela može da varira:

1. u uzorcima iste vrste prikupljenim sa različitih područja ili 2. u uzorcima iste vrste sa istog područja prikupljenim u različitim periodima. ^injenica da genetička struktura varira geografski znači da sve populacije određene

vrste nisu genetički iste. Dakle, postoji prostorna komponenta genetičke varijabilnosti. ^injenica da se genetička struktura populacije može menjati tokom vremena, ukazuje

na to da se populacije na različitim područjima mogu menjati na različiti način, a to vodi daljim varijacijama u prostoru i evoluciji novih genetičkih struktura.

Genetička varijabilnost unutar i između populacija rezultat je međusobnog delovanja različitih evolutivnih snaga (slika 26-25). Uopšteno, snage koje povećavaju i održavaju genetičku varijabilnost unutar populacije, sprečavaju diferencijaciju među populacijama. Divergencija među populacijama je rezultat delovanja snaga koje pojedinačne populacije čine homozigotnim (drift, inbriding). Divergencija i homozigotnost su suprotstavljeni konstantnim tokom mutacije i migracije između lokaliteta koji ponovo uvode varijabilnost u populacije i teže da ih učine sličnim.

38. Genetička varijabilnost prirodnih populacija organizama

Istovremeno prisustvo različitih genetičkih varijanti u jednoj populaciji organizama označava se pojmom genetička varijabilnost prirodnih populacija organizama.

Genetička varijabilnost u okviru prirodnih populacija je bitna iz više razloga:-ona određuje potencijal za evolutivnu promenu i adaptaciju. -količina varijabilnosti nam govori o relativnoj važnosti različitih evolutivnih procesa, s

obzirom da neki procesi povećavaju, a drugi smanjuju varijabilnost. -od genetičke varijabilnosti može zavisiti način na koji nastaju nove vrste.

Postoje tri modela genetičke varijabilnosti :

24

1. KLASI^NI MODEL pretpostavlja da je genetička varijabilnost mala. Prema ovom modelu u okviru svake populacije jedan alel najbolje funkcioniše, i tada prirodna selekcija snažno favorizuje taj alel. Posledica toga je da su skoro sve jedinke populacije homozigotne za taj "najbolji" ili WT alel. Novi aleli nastaju s vremena na vreme mutacijama, ali one su uglavnom delecione i selekcija održava frekvencije ovih alela na niskom nivou. Ipak ponekad, (vrlo retko) se desi da nastane nova mutacija, koja daje alel bolji od WT alela. Ovaj novi alel povećava preživljavanje i reprodukciju svojih nosilaca, pa se zbog njegovih selektivnih prednosti i frekvencija ovog alela povećava tokom vremena. Na kraju novi alel dostiže vrlo veliku frekvenciju i postaje novi WT alel. Na ovaj način populacija evoluira, ali je genetička varijabilnost u svakom pojedinačnom trenutku vremena mala.

Ukratko :- genetička varijabilnost je mala- većina genskih lokusa jedinki populacije je homozigotna za funkcionalno najbolji alel i

to su idealni genotipovi sa visokim stepenom adaptibilnosti. - retki su heterozigoti- Glavni argument ovog modela bio je da prevelika genetička varijabilnost dovela do

velikih genetičkih opterećenja i do nemogućnosti opstanka živih sistema.1 Dakle, u prirodi se vrši stalna eliminacija mutiranih genskih alela, a pri tom se genetička opterećenja u populaciji ne smanjuju zahvaljujući odigravanju novih mutacija.

Ovaj model nije bio održiv jer se genofond populacije sastoji od više alela za svaki lokus, pa su zato i jedinke u populaciji heterozigotne za različite lokuse.

2. BALANSNI MODEL predlaže da prirodna selekcija aktivno održava genetičku varijabilnost u okviru populacije pomoću balansirajuće selekcije. Balansirajuća selekcija je prirodna selekcija koja održava balans između alela, sprečavajući da i jedan alel dostigne visoku frekvenciju. Jedan oblik balansirajuće selekcije je favorizovanje heterozigota (pogledati pitanje 44.), kada heterozigoti imaju veću adaptivnu vrednost (fitnes) nego homozigoti.

Ukratko :- genetička varijabilnost je velika - većina genskih lokusa jedinki populacija je heterozigotna (u smislu da za jedan lokus

postoji više alela) i taj skup mogućih kombinacija različitih alela istog lokusa omogućava genotipu da u različitim uslovima sredine ima maksimalnu adaptivnu vrednost (promena na jednom lokusu utiče na adaptivnu vrednost celog genotipa).

- homozigoti su retki-visok stepen genetičkih opterećenja se održava putem balansne selekcije- štetni efekti mutacija kod homozigota se nadoknađuju uvećanom adaptivnom

vrednošću nosilaca takvih mutacija u heterozigotnom stanju (srpasta anemija) - uspostavlja se balans između eliminisanja i favorizovanja odgovarajućih alela ć. ravnoteža u zbiru štetnih i korisnih posledica kojima vode genetička opterećenja (mutacije).

Zajedničko za ove dve teorije je da se genetička varijabilnost populacije ostvaruje putem mutacija, a one mutacije koje daju nižu adaptivnu vrednost bivaju eliminisane prirodnom selekcijom.

3. MODEL NEUTRALNIH MUTACIJA nudi alternativno objašnjenje postojanja velike genetičke varijabilnosti u populacijama. Prema ovom modelu povratne mutacije i nasumične promene frekvencija alela su dovoljne za objašnjenje velikih genetičkih varijabilnosti i nije potrebno razmatrati prirodnu selekciju.

Izvori varijabilnosti (Marina)

Ako se evolucija odigrava putem diferencijalne reprodukcije različitih varijanti, onda bi smo očekivali da će varijanta sa najvećom stopom reprodukcije na kraju preuzeti populaciju i da će svi ostali genotipovi nestati ! Tada više ne bi bilo ni varijabilnosti za dalju evoluciju. Prema tome, mogućnost za nastavak evolucije zavisi od stalne i "obnovljene" varijabilnosti.

Tri su izvora varijabilnosti u populaciji : mutacije, rekombinacije i imigracija - dolazak, protok novih gena. Međutim, striktno rečeno, rekombinacije ne mogu dati varijabilnost osim ukoliko aleli već ne segregiraju na različitim lokusima - inače nema šta da se rekombinuje, a slično tome, ni imigracija ne može dati varijabilnost ako je cela vrsta homozigotna za isti alel npr. Tako su osnovni izvor varijabilnosti mutacije.

Varijabilnost putem mutacija : (42. pitanje ).Varijabilnost putem rekombinacija :

1 Geneti~ko optere}enje podrazumeva skup svih mutacija koje nose jedinke odre|ene populacije. Optere}enje je pra}eno gubitkom jednog dela individua, {to vodi njihovoj geneti~koj smrti. Geneti~ka smrt je odsustvo reprodukcije odre|enog genotipa i gena sadr`anih u tom genotipu.

25

Stvaranje genetičke varijabilnosti putem rekombinacije može biti brži proces nego putem mutacija. Ako je par homologih hromozoma heterozigotan za n broj lokusa, onda se krosingover može odigrati n-1 mesta između njih. Pošto svaka rekombinacija daje dva rekombinantna gameta biće 2 (n-1) novih jedinstvenih gametskih tipova iz jedne generacije krosingovera. Ako su heterozigotni lokusi rašireni po hromozomima, novi gametski tipovi će biti učestali i razviće se varijansa. (Aseksualni organizmi nemaju ovaj izvor varijabilnosti, te su kod njih nove mutacije jedini način da se dostigne neka promena. Tako ovi organizmi sporije evoluiraju nego oni sa polnim razmnožavanjem (značaj mejoze u evoluciji).

Varijabilnost putem migracija : (43. pitanje).Tačkaste mutacije ili hromozomski rearanžmani su, sami po sebi, ograničen izvor

varijabilnosti za evoluciju, jer samo menjaju funkciju ili je pretvaraju u drugi oblik. Da bi nastala potpuno nova funkcija ili oblik, mora doći do širenja niza gena putem duplikacije ili poliploidijom, nakon čega bi usledila divregencija između dupliranih gena.

39. Parametri kvantifikovanja genetičke raznovrsnosti u genofondu

Genofond (gene pool) je skup gena, sveukupnost gena jedne populacije sadržan u gametima date populacije, ć. skup genoma jedinki date populacije.

Veličina varijabilnosti u okviru prirodnih populacija se obično meri pomoću dva parametra : proporcijom polimorfnih lokusa i heterozigotnošću.

Za gen (lokus) se kaže da je polimorfan ako ima dva ili više alela u populaciji. Smatra se da je jedan lokus polimorfan ako frekvencija2 njegovog najčešćeg alela nije veća od 0,95. Drugi kriterijum bi bio da je frekvencija njegovog najčešćeg alela jednaka ili manja od 0,99.

Proporcija polimorfnih lokusa (P) se izračunava deljenjem broja polimorfnih lokusa sa ukupnim brojem ispitanih lokusa.

P =mp/m P- proporcija polimorfnih lokusamp - broj polimorfnih lokusam -ukupan broj lokusa

Merenje varijabilnosti pomoću proporcije polimorfizma daje samo opštu sliku o varijabilnosti u populaciji, jer tretira na isti način lokuse koji su različito polimorfni (npr. jedan lokus sa 2 alela, kao i jedan lokus sa 20 alela). Zato se smatra da je bolja mera varijabilnosti prosečna frekvencija heterozigotnosti individua po lokusu ć. heterozigotnost populacije.

Heterozigotnost populacije (H) se izračunava na taj način što se prvo odredi frekvencija heterozigotnih individua na svakom lokusu, a zatim izračuna prosek za sve lokuse.

1966. je prvi put u populaciono genetičkim istraživanjima primenjen metod elektroforeze na skrobnom gelu u cilju utvrđivanja procenata polimorfnih gena. To je biohemijska tehnika koja se zasniva na različitoj pokretljivosti molekula proteina na gelu, koja proizilazi iz razlike u njihovoj molekulskoj masi i naelektrisanju. Ako se na gelu uoči jedna traka onda je to homozigot (jer su dva produkta istog alela preklopljena), ako se uoče dve trake onda je to heterozigot.

Prednosti ove metode :- geni izabrani za analizu mogu biti bilo koji (bez prethodnog znanja da li su varijabilni ili ne). - mogu se analizirati organizmi koji ranije nisu mogli, jer naučnici nisu mogli da ih ukrštaju..

Nedostaci :- ne možemo ispitati ceo genom jer manje od 10% eukariotskog genoma učestvuje u određivanju

funkcionalno aktivnih proteina i enzima. - ne mogu se otkriti sve alelske varijacije jednog gena, jer se proteini sa istom elektroforetskom

pokretljivošću mogu razlikovati u aminokiselinsom sastavu.

Dakle, prava količina genetičkih varijabilnosti je još veća od one koja se može otkriti ovom tehnikom. Rezultat ovih proučavanja bio je nedvosmislen - većina vrsta ima velike genetičke varijacije u svojim proteinima i klasični model je bio očigledno pogrešan.

Ipak ovo još nije potvrđivalo balansni model. Istina, balansni model je predviđao veliku genetičku varijabilnost (što se pokazalo kao ispravno), ali je on predviđao i da se ta velika genetička varijabilnost održava prirodnom selekcijom, a to nije moglo da se zaključi pomoću elektroforeze.

Ranije je osnovno pitanje bilo kolika je genetička varijabilnost ? Sada je postalo bitno šta održava tako veliku varijabilnost ?

Tada je nastao model neutralnih mutacija, koji priznaje prisustvo velike gen. varijabilnosti i predlaže da je ova varijabilnost neutralna u odnosu na prirodnu selekciju. To ne znači da proteini detektovani elektroforezom nemaju funkciju, već da različiti genotipovi mogu biti fiziološki ekvivalentni.

2 Frekvencija alela je broj kopija tog alela u populaciji podeljen sa brojem svih alela istog lokusa u populaciji (npr. U populaciji od 15 jedinki, dati alel se javio 10 puta, njegova frekvencija je 10/30 = 0,33

26

Na taj način prirodna selekcija ne deluje na neutralne alele i nasumični procesi kao što su mutacije i genetički drift utiču na varijabilnost koju zapažamo u prirodnim populacijama. Model neutralnih mutacija predlaže da varijabilnost na nekim lokusima utiče na adaptivnu vrednost i prirodna selekcija eliminiše varijacije na tim lokusima. U principu teško je povući granicu izmđu balansirajućeg i neutralnog modela i reći koji je tačan. O tome se vode diskusije. Najverovatnije je da su oba delimično tačna i primenljiva u nekim slučajevima.

Genetičku varijabilnost je moguće izmeritii pomoću RFLP-ova i DNK sekvenciranja.

RFLPRestrikcioni enzimi seku dvolančanu DNK na specifičnim baznim sekvencama (većina ih

prepoznaje sekvencu od 4 ili 6 baza). Možemo iseći DNK restrikcionim enzimima i tako nastale fragmente možemo razdvojiti elektroforezom i zapaziti bojenjem DNK ili korićenjem proba za specifične gene. Dakle ako se uzorci DNK dve jedinke razlikuju za jednu ili dve baze na mestu specifičnog prepoznavanja restrikcionog enzima, taj enzim će kod DNK jedne jedinke pronaći svoje mesto i preseći ga, a kod druge neće. Na taj način će se na gelu razdvojiti duži i kraći fragmenti - presečeni i nepresečeni. Različite trake na gelu se nazivaju RFLP. One ukazuju da se DNK sekvence dve jedinke razlikuju. RFLP -ovi se nasleđuju isto kao i aleli koji kodiraju proteine, samo što oni ne proizvode nikakav očigledan fenotip i ima ih više. Mana ove metode je da RFLP-ovi ne otkrivaju sve varijacije ć. analiziramo samo mali uzorak nukleotida (onih koje prepoznaju restrikcioni enzimi) i koristimo ovaj uzorak da procenimo ukupan nivo varijabilnosti.

DNK sekvenciranje je najbolji metod koji nam omogućava da otkrijemo sve razlike u nukleotidima između različitih DNK molekula. Ipak, ova metoda je skupa, naporna i dugotrajna.

40. Genetička struktura populacije. Populacija u ravnoteži.

Mendelovska populacija (ili reproduktivna populacija) je zajednica jedinki iste vrste koje se razmnožavaju polno (ukrštanje (parenje) je po principu slučajnosti) i dele zajednički set gena (genofond).

Genetička struktura populacije je određena svim alelima svih gena (genofondom) jedne populacije. U slučaju diploidnih jedinki koje se seksualno razmnožavaju genetička struktura je okarakterisana rasporedom alela u genotipovima. Ona se izražava učestalošću alela i učestalošću genotipova. Izuzev retkih mutacija, jedinke se rađaju i umiru sa istim setom alela, ono što se genetički menja tokom vremena je genetička struktura populacije.

Engleski matematičar Hardi i nemački lekar Veinberg su došli do zaključka da bi populacije organizama u određenim uslovima trebalo da održavaju istu genetičku strukturu iz generacije u generaciju. Njihov zakon je najvažniji princip u populacionoj genetici jer on nudi jednostavno objašnjenje za to kako Mendelova pravila koja proizilaze iz mejoze i sexualnog razmnožavanja utiču na frekvencije alela i frekvencije genotipova.

HARDI-VEINBERGOV ZAKON:

U beskonačno velikoj populaciji, čije se jedinke ukrštaju po principu slučajnosti, i u kojoj se ne dešavaju mutacije, migracije i prirodna selekcija frekvencije alela se ne menjaju tokom vremena i sve dok je parenje nasumično frekvencije genotipova će ostati p2 (frekvencija genotipa AA), 2pq (frekvencija genotipa Aa) i q2 (frekvencija genotipa aa), ć. populacija će biti u ravnoteži. ( p je frekvencija alela A, a q frekvencija alela q )

Ukratko ovaj zakon nam objašnjava šta se dešava sa frekvencijama alela i genotipova populacije tokom prenošenja alela iz generacije u generaciju i u odsustvu procesa bitnih za evoluciju.

Uslovi da bi H-V zakon važio :1. Populacija mora biti beskonačno velika, jer ako je ograničene veličine genetički drift može izazvati promene u frekvencijama alela, a time i promene u genotipskim frekvencijama. Ova pretpostavka je nerealna (ni jedna populacija nema beskonačno mnogo jedinki), ali se jako velike populacije mogu smatrati približno beskonačnim. Dakle, nije neophodno da populacija bude baš beskonačno velika da bi važio H-V zakon.

2. Ukrštanje mora biti po principu slučajnosti. Po definiciji nasumično parenje znači da je verovatnoća (ili učestalost) ukrštanja između dva genotipa jednaka proizvodu njihovih genotipskih frekvencija. 3 3 Na~ela H-V zakona se odnose na bilo koj (pojedina~ni) lokus za koji se jedinke nasumi~no ukr{taju, ~ak i ako ukr{tanje nije slu~ajno za druge lokuse. Dakle populacija ne mora da se

27

3. U populaciji ne sme doći do mutacija, migracija i prirodne selekcije. Drugim rečima genofondu se ne smeju dodavati ili oduzimati aleli, i nas interesuje odnos alelskih i genotipskih frekvencija isključivo na osnovu mejoze i seksualne reprodukcije. Ć. uticaj drugih evolutivno važnih procesa mora biti isključen. Ovo stanje se odnosi samo na ispitivani lokus4.

Ako su ovi uslovi zadovoljeni populacija će biti u genetičkoj ravnoteži i očekujemo da :1. se frekvencije alela neće menjati iz generacije u generaciju, pa tako ni genofond

neće evoluirati za ovaj lokus (ovaj lokus neće doprineti promeni genofonda). 2. će genotipske frekvencije dostići vrednosti p2, 2pq i q2 posle jedne generacije

slučajnog ukrštanja. U svakoj sledećoj generaciji će ostati konstantne sve dok su zadovoljeni svi uslovi H-V zakona (Table 22.2 ). Kada su genotipske frekvencije takve kaže se da je populacija u H-V ravnoteži.

Važna primena H-V zakona je da nam on omogućava da odredimo genotipske frekvencije iz alelskih frekvencija kada je populacija u ravnoteži.

Prema H-V zakonu, u ravnoteži genotipske frekvencije zavise od frekvencija alela. Na slici 15. prikazana je ova zavisnost za lokus sa dva alela.

- Maximalna frekvencija heterozigota je 0,5 i ona je postignuta samo kada su frekvencije svakog alela 0,5.

- Ako su frekvencije alela izmeću 0,33 i 0,66, heterozigotni genotip je najbrojniji genotip (Aa, brojniji od aa i AA)

- Ako je frekvencija jednog alela (npr. a) niska, homozigot za taj alel je najređi genotip (aa ređi od Aa i AA).

Ako umesto dva alela neki lokus ima tri različita alela (npr. A,B i C, čije su frekvencije p, q i r respektivno) onda će genotipske frekvencije ponovo biti određene alelskim frekvencijama ć :

p2 će biti frekvencija genotipa AA 2pq će biti frekvencija genotipa ABq2 će biti frekvencija genotipa BB2pr će biti frekvencija genotipa AC2qr će biti frekvencija genotipa BC iq2 će biti frekvencija genotipa CC.(p + q + r)2 = p2 + 2pq + q2 + 2pr + 2qr + q2

Kada se u populaciji jedinke ukrštaju nasumično, ravnotežne genotipske frekvencije se dostižu posle jedne generacije. Ali, ako se lokus nalazi na X hromozomu i polovi se razlikuju po frekvenciji alela, ravnotežne genotipske frekvencije se dostižu tek posle nekoliko generacija. To je zato što mužjaci primaju svoj X hromozom samo od majke, dok ženke primaju jedan od majke, a jedan od oca. Iz toga sledi da će frekvencija X vezanog alela kod mužjaka biti ista kao i kod njihovih majki, dok će kod ženki ova frekvencija biti prosek frekvencija majke i oca. Tokom nasumičnog parenja alelske frekvencije kod dva pola osciluju napred i nazad u svakoj narednoj generaciji, i razlika u frekvenciji alela između polova se smanjuje za polovinu u svakoj sledećoj generaciji (slika 22.4 ). Kada se konačno frekvencije alela kod mužjaka i ženki izjednače, frekvencije genotipova će već u sledećoj generaciji biti u H-V proporcijama.

U ravnoteži pž2 + 2pžqž + qž2 = pm + qm =1

generacije P I II III nqž 1,0 1,0 0,75 0,625 ... 0,7qm 0,0 0,5 0,5 0,75 .... 0,7

razlika d 1,0 0,5 0,25 0,125 ... 0

H-V zakon koristimo za izračunavanje frekvencija alela kada je jedan ili više alela recesivno. Tada ne možemo da utvrdimo tačno frekvenciju recesivnog gena preko brojeva heterozigotnih i homozigotnih jedinki (jer ne znamo broj heterozigota (isti su fenotipski kao i dominantni homozigoti)), već moramo da pretpostavimo da je populacija u ravnoteži za dati lokus i da

ukr{ta nasumi~no za sve osobine da bi ovaj zakon va`io. Npr. kod ljudi taj zakon ne va`i za boju ko`e ili IQ, ali va`i za MN krvne grupe. 4 Kao i u prethodnom slu~aju evolutivni procesi mogu da deluju na neke druge gene u populaciji, a da populacija i dalje bude u H-V ravnote`i za ispitivani lokus.5 Svaka pojedina~na populacija je, na ovom grafiku, definisana jednom vertikalnom linijom. Npr. p = 0,3 i q = 0,7

28

izračunamo frekvenciju alela preko frekvencije genotipova (broja recesivnih homozigota u odnosu na ukupni broj jedinki u populaciji). Na taj način možemo da izračunamo i frekvenciju heterozigota.

41. Sistemi parenja i njihove populaciono-genetičke posledice

Slučajno parenje u odnosu na lokus je uobičajeno ali ne i univerzalno. Mogu se razlikovati dva tipa odstupanja od slučajnog parenja:1. Asortativno ukrštanje fenotipova koje može biti pozitivno i negativno :

a. Pozitivno asortativno ukrštanje fenotipova je parenje jedinki istih fenotipova. Ono je uobičajeno u prirodnim populacijama. Npr. ljudi i žene se ukrštaju na ovaj način u odnosu na visinu ili IQ.

b. Negativno asortativno ukrštanje fenotipova ostvaruje se kada u populaciji postoji veća verovatnoća da će se ukrstiti jedinke nosioci dva različita fenotipa nego što bi se to desilo samo na bazi slučajnosti.

2. Asortativno ukrštanje genotipova koje takođe može biti pozitivno i negativno.

a. Pozitivno asortativno ukrštanje genotipova ili INBRIDING je češće parenje jedinki koje su u većem stepenu srodstva nego prosečan par jedne populacije.

b. Negativno asortativno ukrštanje genotipova ili AUTBRIDING je češće parenje jedinki koje su u manjem stepenu srodstva (rodbinski udaljene jedinke) nego prosečan par jedinki suprotnog pola iste populacije.

Inbriding se meri preko koeficijenta inbridinga (F). (slika 4.9 i 20. ) [to je veća vrednost F veće je i smanjenje heterozigotnosti u odnosu na očekivanu heterozigotnost prema H-V zakonu.

(očekivana heterozigotnost - zapažena heterozigotnost) F = očekivana heterozigotnost

29

Pri slučajnom ukrštanju F = 0 jer je očekivana = zapaženoj heterozigotnosti.Najekstremniji slučaj inbridinga je samooplodnja kod nekih biljaka i puževa. Ako

pretpostavimo da na početku imamo populaciju koja se sastoji samo od heterozigota, posle jedne generacije samooplodnje imaćemo polovinu heterozigotnih jedinki (Aa) i četvrtinu homozigotnih jedinki za jedan alel (aa) i četvrtinu homozigotnih za drugi alel (AA). U svakoj sledećoj generaciji posle samoooplodnje procenat heterozigota će opasti za 50%. Posle većeg broja generacija neće više biti heterozigota i populacija će biti podeljena ravnomerno na dva homozigotna genotipa (slika 19.8 ). Dakle, posle prve samooplodnje frekvencije genotipova su bile iste kao one predviđene H-V zakonom, ali u svakoj sledećoj generaciji frekvencije homozigota su bile veće, a heterozigota manje od onih predviđenih ovim zakonom. Genetička varijabilnost prisutna unutar početne populacije pretvara se u varijabilnost između homozigotnih inbridovanih linija uzorkovanih u populaciji6.

Pretpostavimo da je populacija osnovana iz malog broja jedinki koje nisu u srodstvu i koje se slučajno pare i daju sledeću generaciju. Pretpostavimo da nema dodatne imigracije. U kasnijim generacijama svako je srodnik sa svakim, jer porodična stabla imaju zajedničkog pretka. Takva populacija je onda inbredovana u smislu da postoji neka verovatnoća da su geni homozigotni po poreklu. S obzirom da je veličina populacije konačana, neke porodične linije će se izgubiti u svakoj generaciji. Porodica postaje sačinjena od potomaka sve manje i manje osnivačkih jedinki, i svi članovi populacije sa sve većom verovatnoćom nose zajedničke alele - raste F, a heterozigotnost vremenom opada proporcionalno ukupnom broju haploidnih genoma (2N), gde je N broj diploidnih jedinki u populaciji (slika 34.2). Koji će alel biti fiksiran na kom lokusu je stvar slučajnosti. Pretpostavimo da su brojne ostrvske populacije osnovane od velike heterozigotne kopnene populacije. Na kraju, ako ove ostrvske populacije ostanu izolovane jedne od drugih, svaka će postati homozigotna za neki alel. Dakle rezultat ovog inbriding aje genetička diferencijacija između populacije.

Inbriding ima slične posledice kao genetički drift u malim populacijama. U oba slučaja heterozigotnost opada, a homozigotnost raste. Ipak, u slučaju inbridinga u veliim populacijama, frekvencije alela se ne menjaju dok homozigotnost raste, a u slučaju genetikog drifta frekvencije alela se menjaju dok homozigotnost raste.

Autbriding ima suprotan efekat, on povećava heterozigotnost, a smanjuje homozigotnost. I u slučaju inbridinga i pozitivnog asortativnog parenja prema fenotipu dolazi do povećanja

homozigotnosti populacije iznad nivoa koji se predviđa H-V ravnotežom. Ova dva tipa ukrštanja se razlikuju jer se u prvom radi o homozigotnosti celog genotipa, a u drugom slučaju samo pojedinih lokusa (prema osobinama po kojim se vršilo "biranje para").

Nivoi inbridinga u prirodnim populacijama posledice su geografske distribucije, mehanizma reprodukcije i osobina parenja. Ako se srodnici nalaze na nekom zajedničkom prostoru upravo ta blizina će imati za posledicu inbriding. (Semena mnogih biljaka npr. padaju blizu roditelja).

42. Obim i dinamika promena u genofondu kao posledica mutacija

Mejoza i fuzija gameta ne stvaraju promene u alelskim frekvencijama populacije. Ć., kada je populacija velika, njene jedinke se pare po principu slučajnosti i kada nema mutacija, migracija i prirodne selekcije, nema ni evolucije. Međutim, za mnoge populacije ovi uslovi za H-V ravnotežu ne važe. Populacije su često male, ukrštanje nije slučajno, i događaju se mutacije, migracije i prirodna selekcija. U ovim slučajevima alelske frekvencije se menjaju, i kao odgovor na uzajamna dejstva ovih procesa genofond populacije evoluira.

Mutacije su jedan od procesa koji mogu promeniti frekvencije alela. Stopa nastajanja mutacija je generalno mala, ali varira između lokusa i između vrsta. Određeni geni modifikuju stopu mutacija svih ostalih gena, a takođe i mnogi faktori sredine mogu povećati stopu mutacija.

Evolucija je proces koji čine dva koraka : prvo nastane genetička varijacija (promena), a zatim se povećaju ili smanje frekvencije različitih alela kao odgovor na evolutivni proces. Mutacije su važne za oba ova koraka.

Mutacije su izvor svih novih genetičkih varijanti (nove kombinacije alela mogu nastati rekombinacijama, ali novi aleli nastaju samo kao posledica mutacija (vidi 38. pitanje)). Većina mutacija je štetna i zato biva eliminisana iz populacije. Nekoliko mutacija, ipak, može doneti

6 Uprirodnim populacijama prisutan je slu~ajan inbriding - nije obavezan i kontinualan samo u okviru jedne familije i imamo distribuciju i samooplodnog i slobodnooplodnog potomstva. Zato postoji ravnote`na u~estalost homozigota i heterozigota sli~na H-V ravnote`i, ali sa vi{e homozigota. Ovim je geneti~ka varijabilnost o~uvana, za razliku od sistemskog eksperimentalnog inbridinga.

30

neke prednosti jedinkama koje ih imaju i takve mutacije će se proširiti kroz populaciju. Da li je mutacija štetna ili korisna zavisi od uslova sredine, i ako se ovi uslovi promene ranije štetna ili neutralna mutacija može postati korisna.

Mutacije takođe imaju sposobnost da menjaju ftrekvencije alela u okviru populacije. Ako zamislimo populaciju od 50 jedinki koje sve imaju genotip AA onda je frekvencija alela A, p = 1, (p =(2 x 50) / 100). Ako se desi jedna mutacija A a, populacija se tada satoji od 49 AA jedinki i jedne Aa jedinke, dakle frekvencija alela A je p = ((2 x 49) + 1) / 100 = 0,99. Sa svakom sledećom mutacijom A a, p će biti sve manje. I ako ovakve mutacije nastave da se odvijaju konstantnom stopom tokom dugog perioda vremena p će na kraju postati 0.

Mutacije jesu izvor genetičke varijabilnosti, ali same po sebi ne mogu voditi evolutivni proces. Stopa promena alelskih frekvencija su vrlo niske jer su i stope spontanih mutacija vrlo niske. Ako je stopa mutacije alela A u neki drugi alel (a), ć, verovatnoća da će alel A postati alel a za vreme replikacije koja prethodi mejozi. Ako su učestalosti alela A i a, p i q i ako nema drugih faktora promene učestalosti alela onda je promena alelske učestalosti u jednoj generaciji p = pt - pt-1 = - pt-1 (t - broj generacije). Ovo nam pokazuje da učestalost alela A opada stopom koja je proporcionalna mutacionoj stopi i frekvenciji (p) svih alela koji su na raspolaganju da mutiraju. p se smanjuje kako učestalost p opada jer je sve manje alela A na raspolaganju da mutira u alel a. Nakon n generacija ovih događaja biće : pn = p0e-n (slika 25.3.) . Sa padom učestalosti alela smanjuje se i mutaciona stopa. Za 70 000 godina se p tek svede na polovinu. ^ak i ako bi se udvostručila stopa mutacija trebalo bi da prođu desetine hiljada godina za promenu (Doza zračenja koja bi bila potrebna da izazove porast stope mutacija u reproduktivnom veku na ljudskoj populaciji bi pre svega bila letalna, pa brze genetičke promene na vrsti ne bi bile posledica radijacije povišene do tog nivoa ! - Marina filozofira )

Mutacija A a je forvard mutacija. Za većinu gena moguće je da se mutacije odvijaju i u obrnutom smeru a A i ove mutacije se zovu reverzne mutacije. One se obično dešavaju ređe nego forvard. Smanjenje broja A alela u jednoj generaciji je jednako povećanju broja A alela (povećanje nastalo zahvaljujući a A (reverznim) mutacijama) minus smanjenju broja A alela (zahvaljujući forvard mutacijama). S obzirom da stopa forvard mutacija povećava, a stopa reverznih smanjuje frekvenciju alela a, možemo zaključiti da će populacija na kraju (posle mnoooogo godina) dostići mutacionu ravnotežu, u kojoj je broj alela koji se menjaju forvard mutacijama jednak broju alela koji se menjaju reverznim mutacijama (to će se naravno desiti samo ako ni jedan drugi evolutivni proces ne deluje na populaciju). I tada nema više promena u frekvencijama alela iako se forvard i reverzne mutacije i dalje odvijaju. S obzirom da su stope mutacija tako spore, i promena frekvencije alela pod uticajem mutacionog pritiska je vrlo mala. I što su frekvencije alela bliže ravnotežnim frekvenvcijama promene u frekvencijama postaju sve manje i manje.

Zbog toga što same mutacije menjaju frekvencije alela tako sporo, u realnim uslovima populacije su retko u mutacionoj ravnoteži. Ostali procesi imaju dublji efekat na frekvencije alela, i same mutacije retko kad određuju alelske učestalosti populacije. Simultani efekat mutacije i selekcije. Mutacije dovode do nastanka novih varijanti gena, ali direkciona selekcija ih preko razlike u adaptivnim vrednostima eliminiše ako su nepovoljni. Učestalost nekog alela u populaciji biće nepromenjena jedino ako je stopa njegove eliminacije selekcijom jednaka stopi njegovog nastanka u populaciji. Tada nastaje ravnoteža i ona se održava (mada na populaciju deluju i selekcija i mutacija) sve dok na populaciju ne počne da deluje neki drugi evolutivni faktor.

43. Obim i dinamika promena u genofondu kao posledica migracija

Jedna od pretpostavki H-V zakona je da je populacija zatvorena i da na nju ne utiču druge populacije. Ipak, mnoge populacije nisu potpuno izolovane i razmenjuju gene sa drugim populacijama iste vrste. Jedinke koje imigriraju u populaciju mogu da uvedu nove alele u genofond i da menjaju frekvencije postojećih alela. Dakle, migracija je proces koji ima sposobnost da poremeti H-V ravnotežu i može da utiče na evoluciju alelskih frekvencija u populaciji.

Termin migracija se obično odnosi na kretanje organizama. Ali nas u popualcionoj genetici zanima kretanje gena, do koga može (ali ne mora) doći kada se organizmi kreću. Do kretanja gena dolazi samo kada se organizmi ili gameti kreću i tako doprinose, svojim genima, genofondu recipijentske populacije. Ovaj proces se naziva još i protok gena.

Protok gena ima dve velike posledice na populaciju :1. Protok uvodi nove alele u populaciju. S obzirom da su mutacije vrlo retke, jedan mutirani alel može nastati u jednoj populaciji, a u drugoj ne. Protok gena širi jedinstvene alele na ostale populacije, i kao i mutacije predstavlja izvor genetičke varijabilnosti populacije.

31

2. Kada se alelske frekvencije recipijentske populacije i imigranata razlikuju, protok gena menja frekvencije alela u recipijentskoj populaciji.

Razmenom gena, različite populaciju ostaju slične, i zato se za migraciju kaže da je to homogenizujuća (izjednačavajuća) sila koja sprečava populacije da između sebe nagomilavaju genetičke razlike.

Promena u frekvenciji alela recipijentske populacije zavisi od dva faktora :- proporcije imigranata u konačnoj populaciji (broj imigranata / (broj imigranata + broj starosedeoca) i - razlika u frekvenciji alela između imigranata i starosedeoca.

Ako ne postoji razlika u alelskim frekvencijama imigranata i starosedeoca onda je i promena u frekvencijam alaela = 0. Dakle, populacije se moraju razliovati u alelskim frekvencijama da bi migracija mogla da utiče na promenu genofonda. Ako se migracija nastavi, frekvencije alela imigranata i starosedeoca postaju sve sličnije i sličnije (postepeno se izjednačavaju) i rezultat toga je i smanjenje razlike u alelskim ftrekvencijama. Na kraju će se frekvencije alela izjednačiti i daljom migracijom neće doći do daljih promena frekvencije alela u recipijentskoj populaciji (slika 8.3). Ovo, naravno, važi samo u slučaju da ni jedan drugi evolutivni proces ne deluje na populaciju.

Za razliku od mutacione stope migraciona stopa može biti visoka i samim tim i promena u frekvencijama alela.

Treba dodati i da migracij ateži da poveća efektivnu veličinu recipijentske populacije Male veličine populacija vode genetičkom driftu, a genetički drift izaziva razlike u populacijama. Migracija, s druge strane, smanjuje to razlilaženje među populacijama, povećavajući veličinu populacije. Proračuni su pokazali da će samo jedan migrant koji se kreće između populacija svake druge generacije, sprečiti populacije da postanu fixirane za različite alele.

Protok gena ima bitan uticaj i na očuvanje vrste. Razlike između geografski udaljenih populacija iste vrste bi se vremenom toliko nagomilale, da bi se vremenom populacije razdvojile u dve različite vrste. Zahvaljujući protoku gena koji održva homogenost populacija to se retko dešava.

44. i 46. Delovanje i efekat prirodne selekcije; favorizovanje heterozigota; selekcija protiv recesivnog i dominantnog alela

Delovanje i efekat prirodne selekcije

Darvin je definisao da se evolucija sastoji iz dva procesa :- poreklo različitosti organizama i - poreklo prilagođenosti - adaptacije organizamaDakle, evolucija nije prosto postanak i nestanak različitih formi već proces koji stvara

neku vrstu povezanosti između fenotipova vrste i sredine u kojoj oni žive. Na prvi od ova dva procesa deluju: mutacije, migracije i genetički drift, oni su u stanju

da promene frekvencije alela u populaciji. Ovi procesi menjaju genofond populacije, i svakako utiču na evoluciju, ali ne dovode do ADAPTACIJE. Adaptacija je proces kojim osobine evoluiraju čineći na taj način organizme prilagodljivijim na uslove sredine koja ih okružuje. Ove osobine povećavaju šansu organizma za preživljavanje i reprodukciju. Mutacije, migracije i genetički drift utiču na proces adaptacije, ali adaptacija nastaje prirodnom selekcijom. Prirodna selekcija je dominantna sila u evoluciji mnogih osobina i ona je oblikovala mnoge od fenotipskih varijanti koje zapažamo u prirodi.

Prirodna selekcija može biti definisana kao diferencijalna reprodukcija genotipova. A to jednostavno znači da jedinke koje imaju određene gene stvaraju više potomaka, nego druge jedinke (koje nemaju te gene). Zato se broj tih gena povećava u narednoj generaciji. Vremenom se putem prirodne selekcije povećavaju osobine koje doprinose razmnožavanju i opstanku, i organizmi se na taj način prilagođavaju sredini. Dakle, jedinke superiorne u pogledu preživljavanju i reproduktivne sposobnosti, doprinose veći deo porcije gena sledećoj generaciji u odnosu na inferiorne jedinke.

Darvin je prirodnu selekcuju definisao kao proces nasledno različitog preživljavanja i stope reprodukcije nekog organizma.

Primer sa leptirićima :Biston betularia je noćni leptir koji se danju odmara na stablima drveća prekrivenog

lišajevima. Ptice koje vole da jedu ove leptiriće ne mogu da ih vide jer im je boja ista kao i boja

32

lišajeva (sivkasta - kamuflirani su). Međutim, u zagađenim, industrujskim zonama, gde zagađenje izaiva izumiranje lišajeva, stabla su gola i nagaravljena. Zato su i leptirići morali da se prilagode i u šumama u blizini industrijskih zona žive pretežno leptirići iste vrste, ali drugog fenotipa - carbonia, koji su tamni. Na taj način oni su se adaptirali ć, prilagodili su svoju boju (fenotip) novim uslovima sredine. Ova pojava se naziva "industrijski melanizam" .

Selekcija je efikasna kada postoji genetička varijabilnost u populaciji. Kada bi populacija bila monomorfna za neki gen, selekcija ne bi imala šta da eliminiše a šta da favorizuje - ne bi postojala različitost u adaptivnoj vrednosti.

Prirodna selekcija ima niz različitih efekata na populaciju. Ponekad ona eliminiše genetičku varijabilnost, a ponekad je održava (favorizuje). Ona može da menja frekvencije alela ili da sprečava njihovu promenu. Prirodna selekcija može da izazove genetičko razilaženje među popilacijama, ili da održava genetičku uniformnost. Koji od ovih efekata će selekcija ispoljavati zavisi pre svega od relativne adaptivne vrednosti genotipova (vidi sledeće pitanje), ali i frekvencija alela u populacijama.

Prema H-V zakonu genotipske frekvencije, u slučaju da nema selekcije, su p2, 2pq i q2 . Kada dođe do selekcije samo neki genotipovi će preživeti i pojaviti se u sledećoj generaciji. Doprinos svakog genotipa sledećoj generaciji biće jednak početnoj frekvenciji tog genotipa pomnoženoj njegovom adaptivnom vrednošću. Relativan doprinos svakog genotipa se izračunava deljenjem doprinosa svakog genotipa sa srednjom adaptivnom vrednošću populacije (W).

W = p2W11 + 2pqW12 + q2W22Relativan doprinos svakog od genotipova je u stvari relativna frekvencija tog genotipa

nakon selekcije. Kombinujući sve moguće odnose između vrednosti fitnesa za genotipove dobijamo

razne klase prirodnih selekcija :

1. W11 = W12 = W22 = 1. Sve adaptivne vrednosti su jednake i nema selekcije. 2. W11 = W12 < 1 i W22 = 1. Heterozigot ima adaptivnu vrednost jednako adaptivnoj

vrednosti dominantnog homozigota, ali manju od adaptivne vrednosti recesivnog homozigota. Prirodna selekcija deluje protiv dominantnog alela.

3. W22 < 1 i W12 = W11 = 1. Heterozigot kao i dominantni homozigot imaju najveću adaptivnu vrednost koja je veća od adaptivne vrednosti recesivnog homozigota. Prirodna selekcija deluje protiv recesivnog alela.

4. W11 < W12 < 1 i W22 = 1. Vrednost fitnesa heterozigota je srednje veličine u odnosu na vrednosti jednog i drugog homozigota. Prirodna selekcija deluje bez dominantnog efekta.

5. W11 , W22 < 1 i W12 = 1. Heterozigot ima najvišu adaptivnu vrednost, a homozigoti imaju niže adaptivne vrednosti koje mogu, a ne moraju, biti iste. Prirodna selekcija favorizuje heterozigotni genotip .

6. W12 < W11 , W22 =1. Heterozigot ima niži fitnes nego homozigoti. Za ovakav odnos je potrebno da samo jedan homozigot (nije bitno koji) ima vrednost fitnesa 1. Prirodna selekcija deluje favorizujući homozigotni genotip. Ova selekcija uzrokuje divergenciju između populacija.

Svaki od ovih slučajeva prirodne selekcije rezultuje u karakterističnoj promeni genetičke strukture populacije.

Slučajevi 2, 3 i 4 se nazivaju još i usmerena (direkciona) selekcija i kao posledicu imaju eliminaciju ili barem značajno smanjenje jednog od alela.

Slučaj 5 se razlikuje od prethodnih i kada se postigne ravnoteža on ne izaiva evolucione promene.

Slučaj 6 liči na usmerenu selekciju, ali odabir alela protiv koga će delovati selekcij ase ne vrši na osnovu njegovih karakteristika, već na osnovu njegove početne frekvencije.

slika 22.20

Favorizovanje heterozigota

Prirodna selekcija ponekad deluje održavajući genetičku varijabilnost (kao što je to predloženo balansnim modelom (vidi pitanje 38)). Ovakva selekcija se naziva balansnom. Najjednostavniji tip balansne selekcije je heterozis ili heterozigotna superiornost. Ravnoteža alelskih frekvencija nastaje kada heterozigot ima višu adaptivnu vrednost nego i jedan homozigot (slučaj 5). U ovom slučaju oba alela se održavaju u populaciji jer su oba favorizovana u heterozigotnom genotipu. Frekvencije alela će se menjati pod uticajem selekcije sve dok se ne dostigne ravnoteža, a onda će ostati konstantne. Alelske frekvencije na kojima će populacija biti u ravnoteži zavise od relativnog fitnesa dva homozigotna genotipa. Ove vrednosti ne zavise od početne frekvencije alela u populaciji i određene su samo koeficijentom selekcije protiv homozigota.

33

Ako je selekcija protiv oba homozigota ista, ravnotežne alelne frekvencije biće 0,5. Sa povećanjem razlike u selekciji protiv jednog i drugog homozigota....

Primer : srpasta anemija : Iako se radi o ozbiljnoj genetičkoj bolesti, prirodna selekcija ne može da eliminiše štetni alel iz populacije zato što alel ima korisan efekat u heterozigotnom stanju.

Selekcija protiv recesivnog i dominantnog alela

Direkciona selekcija tera populaciju prema homozigotnosti, otklanajajući većinu novih mutacija. Ponekad, u slučaju povoljne mutacije, ova selekcija dozvoljava širenje novog alela kroz populaciju i kreće ka novom homozigotnom stanju. Da li će ili ne ovakav tip selekcije dovesti do diferencijacije populacije zavisi od sredine i slučajnih događaja. Dve populacije koje žive u veoma sličnim sredinama mogu da se održavaju genetički sličnim - direkcionom selekcijom, ali ako se sredine razlikuju, selekcija može voditi populacije ka različitim strukturama.

U slučaju 3, kada su fitnesi heterozigota i dominantnog homozigota = 1, a fitnes recesivnog manji od 1 može se dokazati (preko niza jednačina) da je promena frekvencije recesivnog alela negativna. Odatle sledi da će vrednost q opasti pri delovanju selekcije.

Selekcija takođe zavisi od stvarnih frekvencija alela u populaciji. Ovo je zbog toga što frekvencije Aa i aa jedinki, pri različitim frekvencijama alela, utiču na to koliko efektivno selekcija može da smanji štetnu recesivnu osobinu.

- Kada je frekvencija recesivnog alela relativno visoka to znači da u populaciji postoje mnoge recesivne homozigotne jedinke koje će imati nisku vrednost fitnesa, i to za posledicu imati velike promene u frekvenciji alela.

- Kada je frekvencija recesivnog alela niska, homozigotni recesivni genotip je redak i doći će do manjih promena u frekvencijama alela.

Dakle, što je q manje, q je manje. Baš zbog ovog opadanja promene frekvencije, realno je nemoguće potpuno eliminisati recesivni alel iz populacije. Preostali recesivni aleli u populaciji će se gotovo uvek naći u heterozigotnom genotipu i ovo “skrivanje” recesivnih alela kod heterozigota se naziva zaštićeni polimorfizam. p se menja sve manje što je početna frekvencija veća.

Zaključak : efekat selekcije na neki određeni gen zavisi od intenziteta selekcije i od početne frekvencije.

Eliminacija dominantnih alela sa štetnim efektom će biti najefikasnija - oni se ispoljavaju na fenotip i selekcija ih brzo eliminiše.

46. Adaptivna vrednost i koeficijent selekcije

Najbitnije u procesu prirodne selekcije je relativan broj gena koji će učestvovati u narednim generacijama. Naravno važna je i sposobnost preživljavanja, ali samo preživljavanje ne garantuje da će geni biti preneti na sledeću generaciju; da bi se to desilo mora da dođe do reprodukcije. Zato merimo prirodnu selekciju procenjivanjem reprodukcije. Prirodna selekcija se meri Darvinovim fitnesom ć. adaptivnom vrednošću (W), a ona je definisana kao relativna sposobnost razmnožvanja nekog genotipa.

Fitnesi se relativno posmatraju, jer jedna vrednost fitnesa za jednu jedinku nema nikakvog smisla ukoliko se ne uporedi sa adaptivnom vrednošću drugih jedinki u populaciji. Dakle kad se razmatra prirodna selekcija ne misli se prosto na prilagođenost nego na prilagođenost u odnosu na prilagođenost drugih jedinki.

Genotip koji daje najviše potomaka ima W = 1, a adaptivne sposobnosti ostalih genotipa se procenjuju u odnosu na tu vrednost. (Npr. ako jedan genotip daje 8 potomaka, a drugi 4, onda je W1 = 1, a W2 =0,5 ).

Marina : Fitnes je relativna verovatnoća preživljavanja nekog genotipa i posledica je odnosa između organizama i prirodne sredine u kojoj oni žive. (Delimično, ovo je zbog toga što izlaganje istih genotipova različitim sredinama tokom razvića može dati različite fenotipove. Međutim, čak i ako su fenotipovi isti njihova uspešnost zavisi od sredine. ).

Procenjivanje adaptivne vrednosti nekog genotipa mora se obaviti vrlo pažljivo i tom prilikom moraju se učiniti mnoge pretpostavke. Adaptivna vrednost nekada nije ekvivalentna broju potomaka genotipa. (Npr. u gnezdima čvoraka, sa više jaja odgojeno je manje ptića). Adaptivna vrednost nekog genotipa se ne može proceniti posmatrajući izolovan trenutak života jedinke, jer genotip koji je uspešan u jednom delu svog života, može biti neuspešan u nekom drugom trenutku (ovaj fenomen se naziva antagonistična plejotropnost). Merenje adaptivne vrednosti je teško jer treba izbeći subjektivne (i netačne) procene vrednosti. Ipak, adaptivna vrednost nam govori o tome kako se genotip snalazi u prirodnoj selekciji.

34

Išod selekcije na osobinu u datoj sredini nije jedinstven. Selekcija ka promeni osobine, recimo ka povećanju veličine može biti uspešan na niz načina. Npr. experiment selekcionisanja za veličinu krila kod Drozofila je dao dve populacije sa većim krilima. Međutim, u jednoj je došlo do povećanja broja ćelija, a u drugoj se veličina ćelija krila promenila. Bila su selekcionisana dva različita genotipa, oba uzrokujući promenu veličine krila. Početno stanje populacije i početak selekcije odredili su kako će teći selekcija.

Slika 26-19 : Pretpostavimo da variranje na dva lokusa (obično ih je mnogo više) utiče na osobinu i da u određenoj sredini intermedijarni fenotipovi imaju najviši fitnes (npr. novorođenčad srednje težine imaju najveću šansu za preživljavanje). Ako je delovanje alela najjednostavnije, genotipovi AaBb, AAbb i aaBB će imati visok fitnes, a veoma nizak fitnes će imati dupli homozigoti (aabb i AABB). Na slici je prikazan adaptivni predeo (landscape). Učestalost alela A je data na ordinati, a učestalost alela B na apscisi. Visina iznad ravni (predstavljena topografskim linijama) je vrednostW (srednji fitnes) populacije, koju bi populacija imala za određenu kobbinaciju učestalosti A i B. Jedna topografska linija povezuje sve tačke iste vrednosti W. Slika pokazuje da postoje dva adaptivna vrha (pika), koja odgovaraju fiksiranim populalacijama aaBB i AAbb. U sredini je sedlo, a dve adaptivne doline se pružaju od sedla ka fixiranim populacijama aabb i AABB. Prema pravilu o porastu fitnesa, selekcija bi trebalo da vodi populacije od doline, niskog fitnesa , ka vrhu, visokog fitnesa. Ka kom vrhu će se populacija kretati i kakav će prema tome biti genetički sastav populacije, zavisi od toga da li je početna genetička struktura populacije na jednoj ili drugoj strani isprekidane linije na slici. Pod identičnim uslovima sredine dve populacije mogu dostići različite genetičke kompozicije kao rezultat delovanja prirodne selekcije. Nije bitno da adaptivni pikovi budu iste visine. Kinetika selekcije je takva da W raste mada ne znači i da postiže obavezno najviši mogući pik na polju alelske učestalosti. Npr. ako je populacija blizu pika AAbb, a on je niži od aaBB, sama selekcija ne može dovesti populaciju do pika aaBB, jer to bi zahtevalo privremeno opadanjeW. Populacija bi opadala niz AAbb nagib, prealazila sedlo i penjala se uz nagib. Dakle, snaga selekcije je kratkosežna : ona vodi populaciju ka lokalnom maksimumu W na polju učestalost alela - ne ka globalnom.

Međutim, genetički drift može smanjiti i pojačati efekat selekcije. Slika 26-26 ilustruje ovakvu mogućnost. Usled drifta populacija pod selekcijom se ne penje na adaptivni vrh ujednačeno i "glatko" nego ima promenljiv pravac na polju genskih učestalosti. Staza I (leva) pokazuje populacionu istoriju pri kojoj su slučajne oscilacije bile dovoljno velike da je populacija postala fixirana na neadaptivnom genotipu. Intenzitet selekcije je slab da prevaziđe slučajne fluktuacije učestalosti. Staza II (desna) pokazuje kako genetički drift može povećati adaptivnu vrednost. Populacija je u početku bila u sferi uticaja nižeg adaptivnog vrha. Slučajnim fluktuacijama alelskih učestalosti njen sastav prelazi preko adaptivnog sedla i populacija zahvata viši i strmiji adaptivni vrh.

Koeficijent selekcije predstavlja stepen smanjenja adaptivne vrednosti određenih genotipova u odnosu na standardni genotip, koji se ustanovljava za svaku populaciju u datom intervalu vremena.

Koeficijent selekcije je mera povezana sa fitnesom i njime se meri relativni intenzitet selekcije protiv genotipa (s = 1 - W). Genotipovi koji imaju s = 1 (W =0) sadrže letalne genske alele ili daju sterilne jedinke.

47. Slučajne promene učestalosti alela. Genetički drift.

Jedna od pretpostavki H-V zakona je da su populacije beskonačno velike. Veličina stvarnih populacija nije beskrajna, ali su one često dovoljno velike da bi se očekivane proporcije ostvarile i slučajni događaji imaju mali uticaj na frekvencije alela.

Ipak, neke populacije su male, i u takvim populacijama slučajni događaji mogu prouzrokovati značajne promene u frekvenciji alela. Ovakve slučajne fluktuacije učestalosti alela koje nastaju kao posledica slučajnih događaja nazivaju se genetički drift (pomeraj).

Promene frekvencija alela, nastale zahvaljujući slučajnim događajima, mogu imatu značajne evolutivne posledice. (Npr. mogu imati bitne posledice na očuvanje retkih ili ugroženih vrsta).

Genetički drift može nastati na više načina :1. Greška uzorka. Slučajna odstupanja od očekivanih odnosa genotipova u sledećoj generaciji su vrlo česta (i verovatna) kada populacije ostaju male (kontinuirano male kroz više generacija) i ta odstupanja izazivaju genetički drift (a sam fenomen se naziva greška uzorka). Zamislimo da populacija proizvodi beskrajno veliki broj gameta, i da su aleli u proporcijama p i q. Ako dođe do slučajnog ukrštanja i svi gameti se međusobno spare proporcije genotipova će biti p2, 2pq i q2, a frekvencije gameta ostaju p i q. Međutim, to se nikad ne dešava. U realnim situacijama uvek neki broj gameta ostane nesparen, pa je samim tim i broj potomaka

35

(genotipova nastalih iz tih gameta) ograničen. Ako populacija ima 1000 jedinki i učestalost alela a od 0,5 (q=0,5) u jednoj generaciji, u sledećoj generaciji, frekvencije genotipova neće biti tačno 0,25 (AA), 0,5 (Aa) i 0,25 (aa), pa ni q neće biti 0,5 nego npr. 0,493 ili 0,505. To će biti čisto stvar slučajnosti usled slučajne produkcije nešto više ili nešto manje potomaka od broja pretpostavljenog H-V ravnotežom. Ako ne deluju neki drugi faktori evolucije, ovakva slučajna fluktuacija učestalosti alela će se nastaviti iz generacije u generaciju (svaka generacija je slučajan događaj) i na kraju (posle mnogo generacija) će dovesti do vrednosti q=0 ili q=1. Nakon te tačke nije moguća dalja promena - populacija je postala homozigotna - ć fixirana za jedan alel (još detaljnije o tome kasnije). Različite populacije izolovane iz početne mogu postati homozigotne za različite alele (vremenom one divergiraju gubeći svoju heterozigotnost - početno prisutna varijabilnost unutar populacije sada se javlja kao varijabilnost između populacija).

Primer : Buri je proučavao genetički drift kod 107 populacija drozofila u kojima je učestalost dva alela koji određuju boju očiju bila po 0,5 (sve populacije su u početku bile iste). Dozvolio im je međusobno ukrštanje i iz svake generacije, svake populacije, Buri je nasumično izdvojio 8 ženki i 8 mužjaka, da budu roditelji sledećoj generaciji. (Na taj način je efektivna veličina populacija7 ostajala konstantna iz generacije u generaciju). U prvim generacijama alelske frekvencije u svim populacijama bile su grupisane oko 0,5, međutim, kako je rastao broj generacija menjale su se i frekvencije alela i do 19 generacije frekvencije alela su bile 0 ili 1 kod većine populacija.

U realnim populacijama ovo se dešava kada se neka vrsta rasporedi po velikoj geografskoj površini deleći se na taj način na više malih populacija, koje prolaze kroz genetički drift i divergiraju (genetički) međusobno. Rast populacije je ograničen (veličina ostaje približno konstantna generacijama) i kada postoji kompeticija za ograničene resurse. 2. Efekat osnivača. Jedan oblik genetičkog drifta dešava se kada se mala grupa jedinki izdvoji iz veće populacije i osnuje zasebnu koloniju, to se naziva efekat osnivača. U prvih nekoliko generacija nova populacija je mala, i mada se kasnije može značajno uvećati, genofond populacije potiče od gena originalnih osnivača populacije. Slučajan je događaj ko će biti osnivač populacije (koje jedinke će se odvojiti od početne populacije), pa prema tome i koje će gene taj osnivač doneti (a koje ne). (Npr. moguć je potpuni izostanak neke krvne grupe u novoosnovanoj populaciji).

Primer : neki [kot i njegova porodica su naselili neko ostrvo (kasnije im se priključilo i nekoliko brodolomnika i još nekoliko žena sa susednih ostrva). 40 godina nakon osnivanja populacije ona se sastojala od 100 osoba i 26% gena cele populacije je poticalo od [kota i njegove žene. 6 godina kasnije populacija je imala 300 jedinki ali i tada su geni [kota i njegove žene činili 14 posto svih gena. 3. Efekat uskog grla (bottleneck). Ovo je oblik genetičkog drifta do koga dolazi kada se veličina populacije drastično smanji. (Nagla i drastična smanjenja populacije u prirodi mogu biti izazvana ekološkim faktorima kao što su požari, poplave, ...). Tokom takvog smanjenja populacije, neki aleli mogu slučajno biti izgubljeni (ć. njihova frekvencija smanjena na 0).

Primer : Populaciju koja živi na nekom ostrvu se sastoji od desetoro ljudi od kojih pet ima braon, a pet zelene oči. Primera radi, pretpostavimo da boju očiju determiniše samo jedan lokus sa dva alela A i a (braon boja AA i Aa, zelena - aa) i da je frekvencija alela za zelene oči q = 0,6. Oluja pogodi ostrvo i ubije 50% populacije (petoro ljudi nestane u oluji). Petoro poginulih su bili baš oni sa braon očima (pošto boja očiju ni na koji način ne utiče na sposobnost preživljavanja možemo reći da je slučaj tako hteo da prežive baš zelenooki). Posle oluje, frekvencija alela a je porasla na q=1, a frekvencija alela A je p=0. Alel A je nestao iz populacije. Da se radilo o npr. populaciji od 1000 osoba od kojih je 50% imalo zelene a 50% imalo braon oči, verovatnoća da poginu baš svi sa braon očima bi bila značajno manja (to bi bilo skoro neverovatno, ali bi se frekvencije alela u svakom slučaju promenile - to je vrlo verovatno).

Genetički drift stvara promene u ftrekvencijama alela, i te promene imaju nekoliko posledica po genetičku strukturu populacije :

1. Genetički drift izaziva promene u alelskim frekvencijama populacije tokom vremena. ( slika 22.13 ) - različite linije predstavljaju učestalosti alela u raznim populacijama, tokom više generacija. Iako su sve populacije na početku imale frekvenciju alela a, q=0,5, frekvencija svakog uzorka se menja tokom vremena kao posledica greške uzorka. Posle velikog broja 7 S obzirom da je drift slu~ajna pojava, ne mo`emo predvideti kolika je frekvencija alela, po{to se drift desi. Ipak, po{to je gre{ka uzorka povezana sa veli~inom populacije, mo`emo predvideti veli~inu drifta izra~unavanjem efektivne veli~ine populacije (veli~ina populacije je broj svih jedinki te populacije, ali s obzirim da ne daju sve jedinke potomstvo, nas zanima efektivna veli~ina). Ako je broj mu`jaka i `enki jednak u populaciji i ako je verovatno}a ostavljanja potomaka jednaka za sve jedinke onda je efektivna veli~ina populacije jednaka broju rasplodnih jedinki u populaciji. Ako broj mu`jaka i `enki nije isti u populaciji Ne = (4x N f x Nm)/ (Nf+Nm).

36

generacija (razliučitog za različite populacije) aleli dostižu frekvencije od 0 ili 1 i tada su fixirani i njihove frekvencije se neće menjati sem ako se alel čija je frekvencija u datoj populaciji 0 (znači nema ga) ne dovede u tu populaciju iz neke druge (migracijom) ili mutacijom. Ako su početne frekvencije jednake, p=q=0,5 , čista je slučajnost koji će alel postati fixiran. Ako su početne frekvencije nejednake, alel čija je frekvencija manaj ima veće šanse da bude izgubljen, a onaj drugi da bude fixiran. Slika 22.148

2. Genetički drift smanjuje genetičku varijabilnost u okviru populacije. S obzirom da genetički drift izaziva slučajne promene u frekvenciji alela, alelske učestalosti u razdvojenim, individualnim populacijama se ne moraju menjati u istom pravcu. Ć. populacije se razlilaze po svojim alelskim frekvencijama zahvaljujući genetičkom driftu. Genetički drift stvara varijabilnost između populacija.

KVANTITATIVNA GENETIKA

48. Kontinualno variranje osobina.Kvantitaivna genetika svoja istraživanja fokusira na proučavanje fenotipske strukture

populacije, a takođe i proučavanje odnosa između genotipske i fenotipske strukture.Za neke osobine dovoljno je da pogledamo fenotip organizma i da znamo genotip te

osobine. Takve osobine su determinisane jednim lokusom sa različitim alelima (kombinacije alela na tom lokusu daje različite fenotipe). Takva je na primer boja mahune graška (zelena ili žuta), ili boja krzna miša ili ABO krvne grupe. Kod ovakvih osobina, fenotipovi su očigledni i mogu se jasno razlikovati jedan od drugog. Ovakve osobine sa samo nekoliko jasno različitih i određenih fenotipova nazivaju se diskontinuirane osobine (ponekad se zovu i kvalitativne). Kod ovakvih osobina postoji jednostavan odnos između fenotipa i genotipa. Svaki genotip daje samo jedan fenotip, a čest je slučaj i da svaki fenotip posledica jednog genotipa. U slučaju dominantnosti ili epistaze, isti fenotip može biti rezultat više različitih genotipova, ali odnos između gena i osobine je i dalje jednostavan. O genotipu se može zaključiti na osnovu fenotipova roditelja i potomaka (tako je Mendel radio).

Međutim za mnoge osobine odnos genotipa i fenotipa nije tako jednostavan. ^esti su varirajuća expresivnost i penetrabilnost, kao i pjejotropnost i epistaze. Takođe moguće je da isti genotip, zbog interakcije sa različitim uslovima sredine tokom razvića, da niz različitih fenotipova. To se zove norma reakcije (detaljnije u pitanju 50). Dakle, većina osobina, (težina, visina, broj jaja kod Drozofile, sadržaj proteina u kukuruzu, oblik, metaboličke aktivnosti, reproduktivna stopa, IQ) pokazuje širok opseg fenotipova odnosno kontinuiranu raspodelu (kontinualno variraju unutar nekog opsega) i takve osobine se nazivaju kontinuiranim. Njihovi fenotipovi se opisuju kvantitativno, pa se one nazivaju još i kvantitativnim osobinama. Kao što smo već rekli kod kontinuiranih osobina mogući broj fenotipova je ponekad veoma veliki. Zato histogram koji predstavlja distribuciju učestalosti fenotipskih klasa često zamenjuje kriva normalne distribucije. Ona može biti pomerena u jednu stranu ili bimodalna, zavisno od prisustva određenih klasa, što ponovo govori o zastupljenosti pojedinih genotipova u populaciji. Osnovni parametri normalne distribucije su SREDNJA (PROSE^NA) VREDNOST i VARIJANSA9. Slike 27. 9. Kvantitativna osobina je ona za koju je srednja fenotipska razlika među genotipovima mala u poređenju sa razlikama između jedinki istog genotipa.

Različiti fenotipovi osobine nastaju na više načina :1. Obično mnoštvo fenotipova nastaje kao rezultat velikog broja genotipova koji

postoje među jedinkama grupe. To se dešava kada na osobinu utiče veliki broj lokusa ć. kada je ona poligena. Kada jednu osobinu determiniše jedan lokus (sa dva alela) moguća su 3 genotipa. Kada osobinu determinišu dva lokusa, broj genotipova je 32 = 9. Dakle, važi formula 3n gde je n broj lokusa koji determinišu osobinu. Kada svaki lokus ima više od dva alela broj mogućih genotipova je još većo. Ako bi svaki genotip davao jedan fenotip, veliki broj

8 Ovo je osnova neutralne teorije molekularne evolucije : Alel, nastao novom mutacijom koji nije nepovoljan, ve} neutralan u odnosu na prirodnu selekciju (selekcija na ne deluje na taj alel) }e u po~etku imati malu frekvenciju. I zbog toga }e najverovatnije biti izgubljen, i to }e biti posledica geneti~kog drifta. Ponekad se, tako|e slu~ajno, novi alel pomi~e slu~ajno ka fixaciji i taj lokus tada evoluira (fixacijom novi alel zauzima taj lokus). slika 26.24. [ansa za odr`avanje mutacije koja nema zna~ajnog efekta na adaptivnu vrednost, ili pak {amsa za njeno eliminisanje, obrnuto je proporcionalna veli~ini populacije (1/2N). 9 Srednja vrednost nam govori gde (izme|u kontinuiranog opsega mogu}nosti) se nalazi centar raspodele fenotipova u uzorku. Varijansa je mera prostiranja vrednost pojedina~nih fenotipova oko srednje vrednosti - koliko su pojedina~ni fenotipovi varijabilni.

37

genotipova značio bi isti toliki broj fenotipova. To često nije slučaj, jer više genotipova određuju isti fenotip, ali je to u svakom slučaju puno fenotipova. (U slučaju dominantno-recesivnog odnosa alela 3n genotipova daje 2n fenotipova, dakle što je veći n, veći je i broj fenotipova).

2. Drugi razlog za veliki broj fenotipova iste osobine je uticaj sredine. kada uslovi sredine vrše uticaj na fenotip, svaki genotip je u stanju da stvori mnoštvo fenotipova (norma reakcije).

Zaključak je da: to kakav fenotip treba da očekujemo zavisi i od genotipa i od uslova sredine u kojoj se genotip nalazi. To važi za većinu osobina i za njih se kaže da su multifaktorijalne.

49. Komponente frenotipske i genotipske varijabilnosti kvantitativnih osobina

Varijabilnost se izražava statističkim parametrom koji se naziva varijansa (2) = V, koja se definiše kao prosečno kvadratno odstupanje od prosečne vrednosti ispitivane osibine. Fenotipska varijansa (VP) je mera varijabilnosti osobine. Razlike između jedinki nastaju iz više razloga. Na primer razlike između jedinki nastaju usled razlika u procesu razvića. Proces razvića je za uzvrat vođen fiziologijom koja je određena genetičkim informacijama i na koju utiče životna sredina.

Komponente fenotipske varijabilnosti su :

1. Genetička varijansa. Neke od razlika u fenotipu mogu nastati zbog genetičkih razlika među jedinkama (različiti genotipovi u okviru grupe). Ovaj doprinos fenotipskoj varijabilnosti naziva se genetička varijansa (VG).

2. Sredinska varijansa. Različiti uslovi životne sredine koji deluju na jedinke takođe utiču na razlike u fenotipovima. Pod sredinskom varijansom (VE) se podrazumeva svi ne genetički izvori varijacija. Temperatura, išrana, nega roditelja su očigledni sredinski faktori koji bi mogli da izazovu razlike tokom razvoja jedinki.U dosadašnjim razmatranjima podrazumevali smo da su varijabilnost uzrokovana sredinom i genotipska varijabilnost nezavisne jedna od druge, ali to nije uvek slučaj:

3. Kovarijansa (COVGxE). Ponekad sabiranjem VG i VE ne dobijamo totalnu VP. To je zbog toga što genetički prouzrokovana varijabilnost i sredinska varijabilnost mogu kovarirati. Opšti mehanizam bi podrazumevao da bolji genotipovi uživaju bolje okruženje. Primer : na proizvodnju mleka kod krava utiču geni, ali i količine hrane kojom ih farmer hrani. Farmer poznaje svoje krave i zato bolje hrani potomke krava koje daju puno mleka, a slabije hrani potomke krava koje slabo daju mleko. Na ovaj način variranja u proizvodnji mleka su veća nego što bi se očekivalo samo na osnovu gena i sredine koji utiču nezavisno na ovu osobinu. Sličan primer je i sa ljudskom inteligencijom.

4. Genetičko - sredinska interakcija (VGxE). Ako želimo da znamo da li će roditelji i potomci ličiti jedni na druge, nije dovoljno samo da znamo da postoji genetička komponenta. Genetičko - sredinska interakcija nastaje kada se relativan efekat genotipova (na fenotip) razlikuje od sredine do sredine. Primer : U uslovima hladnoće genotip AA neke biljke ima visinu 40 cm, a genotip Aa je visok 35 cm. Ako se biljke presele u toplije predele, genotip Aa dostiže visinu 60 cm i viši je u odnosu na genotip Aa koji je visok samo 50 cm. Oba genotipa su porasla u toplijim sredinama i to je sredinski efekat na varijabilnost. Postoji i genetički efekat, ali ne isti onaj koji izaziva sličnosti među rođacima. Ovaj genetički efekat zavisi od sredine. Slika 23.11

Genetička varijabilnost, pak, može takođe biti izdeljena na više komponenti koje nastaju zahvaljujući različitim tipovima interakcija između gena.

1. Neke genetičke varijanse nastaju kao rezultat prosečnog efekta različitih alela na fenotip.

Primer : Alel a doprinosi visini biljke sa 2 cm, alel A doprinosi 4 cm, pa će tako aa homozigot biti visok 4cm, Aa heterozigot 6 cm, a AA homozigot 8 cm. Dakle, da bi smo odredili genetički doprinos visini, sabiramo efekte alela i sa drugih lokusa koji bi mogli da utiču na visinu. Za ovakve gene kažemo da imaju aditivan efekat, i ovaj tip genetičke varijabilnosti zovemo aditivna (kumulativna) genetička varijabilnost (VA). Ona je opisana pomoću aditivne varijanse i zavisi od broja poligena koje determinišu ispitivanu osobinu. Ako bi u gornjem primeru doprinos alela B (nekog drugog lokusa) bio jednak doprinosu alel aA, a

38

doprinos alela b jednak doprinosu alela a, onda bi biljke genotipova AaBb, AAbb i aaBB imale isti fenotip.

2. Neki geni mogu ispoljavati dominantnost, i ova pojava uključuje još jedan izvor genetičke varijabilnosti - varijabilnost iz dominanse (VD)(ovu varijabilnost opisujemo dominantnom varijansom). Dominantnost se javlja kada jedan alel, maskira efekat drugog alela istog lokusa. Ako je prisutna dominantnost, pojedinačni efekti alela nisu striktno aditivni. (U prethodnom primeru, visina biljaka Aa genotipaova, biće ista kao i visina biljaka AA genotipova (8cm)). Ć. populacija koja se sastoji od oba genotipa (AA i Aa) će biti genetički varijabilna, ali neće biti odgovarajućih razlika između fenotipova. Sa opadanjem stepena dominanse, genotipse razlike sve jasnije postaju i fenotipske razlike, pa se varijansa iz dominanse pretvara u aditivnu varijansu.

3. Epistatičke interakcije se mogu javiti između alela različitih lokusa (između nealelnih gena). Dakle, aleli sa različitih lokusa će interagovati i na taj način određivati fenotip. Na taj način je moguće da jedan lokus daje tri fenotipa, ali da na njihovu penetrabilnost utiče varijabilnost na nekom drugom genskom lokusu. Prisustvo epistaze, predstavlja još jedan izvor varijabilnosti i ta varijabilnost se zove epistatička ili interakciona varijansa (VI).

50. Norma reakcije genotipa

Kvantitativna osobina je ona za koju je srednja fenotipska razlika među genotipovima mala u poređenju sa razlikama između jedinki istog genotipa.

Kontinualno variranja neke osobine nije obavezno uzrokovano velikim brojem genskih lokusa, niti genetička determinacija velikim brojem lokusa znači da se radi o kvatitativnoj osobini (krvne grupe na primer). Ono što bitno odvaja mendelovske od kvantitativnih osobina nije broj lokusa koji segregiraju, već veličina fenotipskih razlika između genotipova u poređenju sa individualnom varijabilnošću unutar genotipskih klasa.

Fenotipska distribucija osobine je funkcija prosečnih razlika između genotipova i varijabilnosti između genotipski identičnih jedinki, a ovo sve stoji u funkciji sredinskih uslova - gradijenta sredine u kojoj se organizmi razvijaju. Dakle, za dati genotip, svaka sredina će rezultovati u datom fenotipu, te će se distribucija sredina reflektovati, biološki u distribuciju fenotipova. Ova transformacija se naziva normom reakcije genotipa.

Slika 27 - 11Na horizontalnoj osi je sredina (npr. temperatura), a na vertikalnoj fenotip (npr. visina

biljke). Kriva norme reakcije genotipa pokazuje kako svaka temperatura rezultira određenu visinu biljke (fenotip). Distribucija učestalosti sredina u kojima se razvijaju jedinke reflektovaće se u distribuciji učestalosti fenotipova i oblik krive norme reakcije će se razlikovati. Tako, norma reakcije na ovoj slici opada naglo na nižim temperaturama (fenotip se naglo menja sa malim promenama temperature), a sporije se menja na višim temperaturama (visina biljke je manje osetljiva na promene na višim temperaturama). Dakle, jedna simetrična distribucija sredine se pretvara u asimetričnu fenotipsku distribuciju.

Slika 27 - 12Pokazano je kako populacija koja se sastoji iz dva genotipa sa različitim normama

reakcije ima fenotipsku distribuciju koja zavisi od distribucije sredine. Fenotipske distribucije su unimodalne ili bimodalne u zavisnosti od toga da li je distribucija sredine ravnomerna ili pomerena na desno, odnosno da li je razlika između genotipova mala u ovom opsegu sredina u poređenju sa osetljivošću normi reakcije na male promene temperature, ili ne (kada su norme reakcije skoro ravne, ali veoma različite).

Vrednost H2 (vidi sledeće pitanje) daje ograničeno predviđanje o efektu sredine na modifikovanje osobine pod određenim uslovima. Ako se ovo variranje sredine eliminiše i nova, konstantna sredina bude ista kao srednja vrednost sredine u početnoj populaciji, onda H2

procenjuje koliko je još fenotipske varijabilnosti prisutno. Ako je heritabilnost na IQ testu recimo 0,4 i ako su sva deca imala istu sredinu kao “prosečno” dete, oko 60% variranja nestaje i ostaje 40% fenotipske varijabilnosti. Ako bi se sredina “pomerila”, u slučaju IQ - obogatila, to je nova sredina i ne može se predvideti heritabilbost. Da bi smo to razumeli pomaže nam norma reakcije :

Slika 27-14Razdvajanje varijanse na VG i VE komponente u stvari nam ne razlučuje genetičke i

sredinske UZROKE variranja. Na slici su data dva genotipa u populaciji i njihove dve norme reakcije.

39

Na slici pod a. smatra se da se populacija sastoji iz dva genotipa u jednakoj učestalosti i distribucija sredine je pomerena u desno. Fenotipske distribucije, date na vertikalnoj osi, sastoje se od dve poddistribucije koje se jako razlikuju po svojim srednjim vrednostima i pokazuju malu sredinsku varijabilnost, H2 ima visoku vrednost.

N aslici pod b. sredinska distribucija je pomerena u levo, što rezultuje u tome da je prosečna razlika među genotipovima mnogo manja. Ovde je bitno da je VG promenjena pomakom VE .

Na slici pod c. sredina stoji kao na prethodnoj slici, ali sada genotip II postaje izuzetno čest u populaciji, a genotip I redak. Tako fenotipska distribucija skoro u potpunosti postaje odraz norme reakcije genotipa II. Populacija ima manju VE nego u prethodnom slučaju, jer je obogaćena razvojno stabilnijim genotipom. U ovom slučaju, VE je promenjena promenom u genotipovima.

Uopšteno govoreći genetička varijansa zavisi od sredina kojima je izložena populacija, a sredinska od učestalosti genotipova. Pošto genotip i sredina interaguju međusobno u stvaranju fenotipa, ne mogu se odvojiti uzroci variranja, te saznanje o heritabilnosti osobine ne omogućava da predvidimo kako će se distribucija osobine promeniti ako se bilo genotipske učestalosti ili sredinski faktori bitno promene.

51. Heritabilnost kvantitativnih osobina u užem i širem smislu

Osnovno pitanje o kvantitativnim osobinama je da li je uočena fenotipska varijabilnost pod uticajrm gena i u kom stepenu ?

Ne radi se o tome da li geni determinišu osobinu koju posmatramo, nego koliko su uključeni u varijabilnost te osobine, a koliki udeo u tome ima sredina ?

Npr. sposobnost da se govori bilo koji jezik zavisi od morfološko - neuralnih organa čije je razviće pod kontrolom gena. I nema sredine koja bi naterala npr. kravu da progovori... Ali to što jezici variraju od naroda do naroda je potpuno negenetički uslovljeno.

Ili npr. kažemo da su članovi porodice međusobno slični zbog zajedničke genetičke osnove. Ali takođe bi se moglo reći i da oni liče zato što žive u istim uslovima sredine. (Npr. - boja kože - OK tamnoputost kod belaca je nasledna, ali ako je neka porodica zemljoradnika pocrnela, to je takođe i uticaj uslova sredine (sunca) u kojima žive - kažem ja).

Pitanje da li je neka osobina nasledljiva (heritabilna) je pitanje uloge koju razlike među genima imaju u fenotipskim razlikama među jedinkama ili grupama. Ć. , koliko genetička varijabilnost (VG) doprinosi ukupnoj fenotipskoj varijabilnosti (VP) ?

Heritabilnost (u širem smislu) je deo (proporcija) fenotipske varijabilnosti populacije koji se može pripisati genetičkim faktorima (genetičkoj varijabilnosti (VG)).

Heritabilnost u širem smislu = HB2 = VG/VPOva heritabilnost osobine može varirati u opsegu od 0 do 1.

- Heritabinost od 0 ukazuje da varijabilnost među jedinkama ne potiče od genetičkih razlika među njima10. - Heritabilnost od 0,5 znači da 50% fenotipske varijabilnosti nastaje zbog genetičkih razlikaizmeđu jedinki- Heritabilnost od 1 bi značila da se sva fenotipska varijabilnost zasniva na genetičkim razlikama.

Bolje ćemo razumeti razliku između učešća gena u razviću neke osobine i u njenoj varijabilnosti (učešće gena u varijabilnosti = heritabilnost) ako znamo i ovo :

- U slučaju da jedan lokus ima samo jedan alel, možemo reći da je genetička varijabilnost za tu osobinu = 0, a samim tim i heritabilnost, ali ne možemo reći da ta osobina nije genetički determinisana.

- Slično tome visoka heritabilnost ne isključuje važnost sredinskih faktora koji utičuna osobinu; visoka heritabilnost može jednostavno značiti, da su sredinski faktori koji utiču na osobinu ujednačeni među proučavanim jedinkama.

- Heritabilnost nam govori koja proporcija fenotipa jedinke je genetička. Heritabilnost je osobina populacije. Jedinke nemaju heritabilnost.

10 Ako je heritabilnost = 0 to ne zna~i da su geni irelevantni , nego samo da u tom odre|enom populacionom istra`ivanju, uzorku, i sli~no nema geneti~ke varijabilnosti na relevantnim lokusima, tj. da su sredine u kojima se populacija razvijala bile takve da su razli~iti genotipovi dali isti fenotip. U drugim populacijama i u drugim sredinama, osobin abi pokazala heritabilnost razli~itu od nule. Generalno heritabilnost neke osobine razli~ita je za svaku populaciju i svaki set gena i ne mo`e se ekstrapolarisati na druge - Marina filozofira. MORA SE RAZLIKOVATI : GENI koji su relevantni ZA OSOBINU od GENETI^KIH RAZLIKA relevantnih za RAZLIKE U OSOBINI.

40

- Heritabilnost za neku osobinu nije fixirana. Ć nema univerzalne heritabilnosti za neku osobinu kao što je npr. ljudski stas. U stvari vrednost heritabilnosti za neku osobinu zavisi od genetičkog sastava populacije i specifičnih uslova sredine u kojoj ona živi. Dakle, heritabilnost jedne populacije može da se razlikuje od heritabilnosti neke druge.

Primer : Heritabilnost za visinu ljudi koji žive na nekom ostrvcetu se razlikuje od heritabilnosti za visinu populacije San Franciska. Stanovnici San Franciska mogu biti više etnički heterogeni nego stanovnici ostrva, pa će prema tome i genetička varijabilnost za visinu kod njih biti veća. Ukoliko pretpostavimo da su uslovi sredine prilično jednaki, a znamo da je genetička varijabilnost kod stanovnka S.F. veća onda će i njihova herotabilnost biti veća.

Ako sada uporedimo heritabilnost za visinu stanovnika ostrva i stanovnika neke zemlje u razvoju, videćemo da se one takođe razlikuju. Ostrvljani se približno pođednako dobro hrane dok među stanovnicima zemlje u razvoju postoji velika razlika u išrani (neki se dobro hrane, a neki loše). Dolazimo da zaključaka da će heritabilnost stanovnika zemlje u razvoju biti manja jer je kod njih postoje veće razlike u sredinskim faktorima koji deluju na visinu (išrana).

Ovo sve ukazuje da se heritabilnost može odnositi samo na određenu grupu jedinki koje žive u određenoj sredini. Ako se genetička struktura populacija ili uslovi u kojima te populacije žive razlikuju, razlikovaće se i njihove heritabilnosti.

- Ako dve populacije imaju istu, veliku vrednost za heritabilnost neke osobine, ali se veličina te osobine (fenotip) bitno razlikuje kod jedinki jedne populacije u odnosu na drugu, ne možemo na osnovu toga pretpostaviti da su populacije genetički različite.

Primer : Istu populaciju miševa razdvojimo na dve. Jednu hranimo dobro (sve jedinke pođednako dobro), drugu hranimološe (sve jedinke pođednako loše). Prva populacija će imati značajno veću telesnu težinu od druge. Ipak, ne možemo reći da su dve populacije genetički različite (prisetimo se da su potekle od jedne, dakle genetički su slične). Zaključak iz heritabilnosti se ne mogu izvući zaključci o prirodi razlika između populacija.

- Osobine zajedničke za članove porodice ne moraju imati visoku heritabilnost. Kada članovi iste porodice dele neku osobinu za nju se kaže da je familijarna. Familijarne osobine (kao što smo već pomenuli) mogu nastati zbog zajedničkih gena, ali i usled istih uslova sredine kojima su izloženi. Dakle osobine su familijarne ako ih dele članovi iste porodice iz bilo kog razloga. S druge strane osobine su heritabilne - njihova varijabilnost je nasledna, samo ako sličnost proizilazi iz zajedničkih genotipova. Familijarnost nije isto što i heritabilnost.

Heritabilnost u širem smislu uključuje genetičku varijabilnost svih vrsta gena. Ona zanemaruje činjenicu da genetička varijabilnost može biti aditivne, dominantne ili interaktivne vrste. Ona takođe zanemaruje i VGxE.

U gornjem primeru o jezicima može se reći da je heritabilnost u širem smislu za variranje jezika od naroda do naroda = 011

Mnogo češće nas zanima deo (razmera) fenotipske varijabilnosti koji nastaje samo iz aditivne genetičke varijabilnosti. To je zato što nam aditivna varijansa omogućava da predvidimo fenotip potomaka na osnovu fenotipa roditelja.

I baš zbog toga što nam aditivna varijansa omogućava da precizno predvidimo sličnost između potomka i roditelja, uvodimo pojam heritabilnost u užem smislu a to je proporcija fenotipske varjabilnosti koja je posledica aditivne genetičke varijabilnosti. Aditivna genetička varijabilnost je takođe variranje na koje prirodna selekcija utiče na predvidiv način, i zato nam heritabilnost u užem smislu govori o tome kako će osobina evoluirati.

Heritabilnost u užem smislu = hN2 = VA/VP

52. Načini određivanja koeficijenta heritabilnosti i njegovo kvantifikovanje

U principu lako je odrediti da li genetička varijabilnost utiče na fenotipsko variranje neke osobine među organizmima. Mnogi metodi podrazumevaju poređenja srodnika i osoba koje nisu u srodstvu ili poređenjem osoba koje su u različitim stupnjevima srodstva12. Ako su geni bitni u određivanju fenotipske varijabilnosti, jedinke u bliskom srodstvu bi trebalo da budu sličnijeg fenotipa, s obzirom da imaju više zajedničkih gena. Nasuprot tome, ako su uslovi sredine odgovorni za razlike u osobini, srodne jedinke ne bi trebalo da budu sličnije u fenotipu te osobine nego one koje nisu u strodstvu. Sličnost prouzrokovana zajedničkim genima će se 11 Jo{ jedan simpa primer bio bi : Sposobnost ljudi da razumeju pravila igre fudbala je geneti~ki uslovljena (to zavisi od pravilnog razvi}a na{eg nervnog sistema, koje naravno uslovljeno genima, (kao {to Marina re~e krave ne razumeju fudbal)). Ipak, neki ljudi su dobri poznavaoci fudbala (pravila, timove, igra~e), a geni na to ne uti~u nego razli~ite sredine i interesovanja ljudi i mo`emo re}i da je heritabilnost u {irem smislu jednaka 0 za poznavanje fudbala. 12 Koriste se i metode koje uklju~uju pore|enja roditelja i potomaka, pore|enja bra}e i sestara sa polu-bra}om/sestrama, pore|enja identi~nih sa neidenti~nim blizancima.

41

ogledati u pozitivnoj korelaciji između roditelja i njihovih potomaka, ili između potomaka zajedničkih roditelja. Ovakve korelacije između srodnika su pokazatelji genetičke varijabilnosti samo ako srodnici ne dele zajedničku sredinu više nego što je nesrodne jedinke dele (odnosno ako su sredine srodnika i nesrodnika iste, onda je korelacija među srodnicima mera genetičke varijabilnosti). Zaključak je : Jedinke u srodstvu koje se proučavaju ne smeju biti u istim uslovima sredine. Odsustvo zajedničkih uslova sredine među jedinkama u srodstvu se može postići kod domaćih biljaka i životinja13 (a ponekad isti uslovi sredine ne vladaju ni među srodnim jedinkama u divljini).

Ipak u prirodnim populacijama, a posebno kod ljudi, ovo je teško. S obzirom na prirodu ljudskih društava članovi jedne porodice ne samo da dele gene već imaju i sličnu sredinu. (Ljudi koji govore mađarski imaju roditelje koji govore mađarski - kamo sreće kažem ja). Najviša korelacija između roditelja i potomaka za socijalne osobine u SAD su izmerene za pripadanje političkim partijama i religioznim sektama, a ovo nije heritabilno. Da bi se utvrdilo da li je varijabilnost u nekoj osobini nasleđiva u humanim populacijama se koriste adoptivna istraživanja, da bi se izbegla sličnost u sredinama među srodnicima. Idealno bi bilo odvojeno odgajanje identičnih blizanaca u različitim sredinama. To je teško i zato su podaci u praksi o nasledljivosti kvantitativnih osobina kod ljudi oskudni. Osobine ličnosti, temperament, IQ, alkoholizam, šizofrenija, mentalni poremećaji čest su predmet izučavanja na humanim populacijama, sa različitih aspekta. Mnoge pokazuju familijarnost. Postoji recimo, pozitivna korelacija u IQ između roditelja i njihove dece, ali je problem odrediti genetički udeo, jer morala bi se "razbiti" sredinska korelacija (da deca i roditelji ne žive zajedno).

Na slici 27.13 sumiran je uobičajeni metod testiranja heritabilnosti kod eksperimentalnih organizama. Jedinke iz ekstremnih delova distribucije pare se sa sopstvenim tipom, a potomstvo gaji u zajedničkim kontrolisanim uslovima. Ako postoji prosečna razlika između dve grupe u potomstvu - variranje osobine je nasledno.

Odnos između fenotipova roditelja i potomaka možemo predstaviti ucrtavajući na dijagram prosečni fenotip roditelja (na apscisi) i prosečni fenotip potomaka (na ordinati). Slika 23.12. Svaka tačaka na grafiku predstavlja jednu porodicu. Ako su tačke nasumično razbacane po grafiku kao na slici pod c. onda ne postoji odnos između osobina roditelja i potomaka. Tada možemo da zaključimo da aditivne genetičke razlike nemaju važnu ulogu u određivanju fenotipske varijabilnosti i da je vrednost heritabilnosti niska. S druge strane, ako određeni odnos postoji između fenotipova roditelja i potomaka, kao na slikama pod a i b onda je aditivna genetička varijansa važnija i heritabilnost je visoka.

Na dijagramu fenotipova roditelja i potomaka nagib prave nas može informisati o veličini heritabilnosti. Ako je nagib 0 kao na slici pod c, onda je heritabilnost u užem smislu = 0. Kad je nagib = 1, kao na slici pod a. prosečni fenotip potomaka je tačno na sredini između dva roditeljska fenotipa, i geni sa aditivnim efektima determinišu sve fenotipske razlike. Ako je nagib između 0 i 1 kao na slici pod b. i aditivni i neaditivni faktori (geni sa dominansom, sa epistazom i sredinski faktori) utiču na fenotipsku varijabilnost. Moguće je matematički pokazati, da kada se prosečni fenotip potomaka ucrta naspram prosečnog fenotipa oba roditelja (na grafik), heritabilnost u užem smislu je jednaka nagibu prave. Nagib linije je pozitivan ukoliko je odnos odabranih roditelja i potomaka u pozitivnoj korelaciji. Kad se prosečni fenotip potomaka ucrta naspram fenotipa samo jednog roditelja heritabilnost u užem smislu je dvostruko veća od nagiba prave. Ovo je zbog toga što potomak deli samo polovinu gena sa jednim od roditelja. Analogno tome, faktor kojim nagib prave mora biti pomnožen da bi predstavljao heritabilnost, raste sa uvećanom udaljenošću između rođaka.

53. Veštačka selekcija. Promena srednje vrednosti i varijanse

Osnovni element prirodne selekcije je da jedinke određenog genotipa ostavljaju više potomaka od ostalih jedinki. Na ovaj način, grupe jedinki evoluiraju tokom vremena i postaju bolje prilagođene određenim uslovima sredine. Ljudi sličnim procesom - veštačke selekcije dovode do evolucije kod domaćih biljaka i životinja. U veštačkoj selekciji, čovek, a ne priroda, bira jedinke koje će preživeti i reprodukovati se. Ako odabrane osobine imaju genetičku osnovu, onda će se genetička struktura odabrane populacije menjati tokom vremena i evoluirati, baš kao što osobina u prirodnim populacijama evoluira zbog prirodne selekcije. Veštačka selekcija može biti moćno oruđe u izazivanju brzih evolutivnih promena, kao što je i dokazano značajnim razlikama među domaćim životinjama i biljkama (npr. sve vrste pasa su nastale od jedne vrste koja je pripitomljena pre 10 000 godina).

Oba procesa, i prirodne i veštačke selekcije zavise od genetičke varijabilnosti. Samo ako je genetička varijabilnost prisutna u populaciji jedinki, ta populacija će se menjati i evoluirati.

13 Npr. mo`emo potomke krava koje daju puno mleka i potomke onih koje daju malo mleka da gajimo u istim uslovima sredine, pa da vidimo da li i dalje (i u kojoj meri) li~e na roditelje ?

42

Takođe količina i vrsta genetičke variajbilnosti je vrlo bitna da bi smo odredili koliko brzo će se evolucija odvijati.

Tipovi selekcije mogu biti različiti, u zavisnosti od toga koje delove fenotipske distribucije iz početne populacije i tokom selekcije, biramo za roditelje sledeće generacije. Tako ako favorizujemo srednji fenotip, imamo stabilizujuću selekciju, ako se favorizuju oba ekstrema onda nam selekcija teče u oba pravca i naziva se bidirekciona - diruptivna, a ukoliko se favorizuje jedan ekstrem, selekcija je direkciona.

Kad prirodna ili veštačka selekcija deluju na fenotip, on će se menjati iz generacije u generaciju (pod uslovom da postoji genetička varijabilnost za tu osobinu u populaciji). Količina promene fenotipa u jednoj generaciji se naziva selekcioni odgovor.

Primer : hoćemo da dobijemo drozofile velike telesne težine. Iz jedne populacije izmerimo sve jedinke i odredimo srednju (prosečnu) telesnu težinu. Zatim izdvojimo iz te populacije mušiće sa nadprosečnom (velikom) telesnom težinom i pustimo ih da se međusobno ukrštaju. Zatim merimo mušice potomke (prvu generaciju) i utvrđujemo njihovu prosečnu težinu i poredimo je sa telesnom težinom prvobitne populacije. To je proces veštačke selekcije.

Količina promene do koje će doći u jednoj generaciji (ili selekcioni odgovor) zavisi od dve stvari :

- heritabilnosti u užem smislu i- selekcionog diferencijalaSelekcioni diferencijal se definiše kao razlika između prosečnog fenotipa odabranih

roditelja i prosečnog fenotipa cele populacije iz koje su odabrani.

54. Procena toka veštačke selekcije putem heritabilnosti.

Heritabilnost u užem smislu ima praktični značaj za selekcioniste - oplemenjivače biljaka i životinja. [to je veća heritabilnost u užem smislu veća je i razlika odabranih roditelja u odnosu na opštu populaciju, i te odabrane osobine će se preneti sa selekcionisanih roditelja na potomke. Efekat selekcije zavisi od stepena aditivne genetičke varijanse, a ne od genetičke varijanse uopšte.

Selekcioni odgovor (R) je povezan sa selekcionim diferencijalom (S) i heritabilnošću sledećom formulom :

R = hN2 x S

Ako znamo da je prosečna telesna težina drozofila u populaciji bila 1,3 mg, a prosečna težina mušica odabranih za ukrštanje 3,0 mg, a mušice u F1 imaju prosečnu težinu 2,0 mg, to znači da je došlo do odgovora na selekciju i da je taj odgovor 2,0 - 1,3 = 0,7 mg. Znamo da je selekcioni diferencijal 1,7 mg i odatle možemo da izračunamo heritabilnost u užem smislu (hN2

= 0,41). Dakle merenje selekcionog odhgovora je još jedan način za utvrđivanje heritabilnosti u užem smislu.

Osobina će nastaviti da odgovara na selekciju iz generacije u generaciju, sve dok genetička varijabilnost za tu osobinu postoji u populaciji.

Primer sa Drozofilama i fototaksijom (ponašanje kao odgovor na svetlost). Brojali su broj puta koliko se svaka pojedinačana drozofila u populaciji kretala ka svetlosti (od 15 mogućih puta koliko je svetlost paljena). Urađena su dva različita eksperimenta odgovora na selekciju. U jednom je odabirana pozitivna fototaksija (mušice su bile privučene svetlom), a u drugom negativna (odbojnost mušica prema svetlosti). Kao što se vidi sa slike 23.13, mušice su odgovarale na svetlost pozitivnim i negativnim ponašanjem tokom većeg broja generacija. Selekcioni odgovor se sve više smanjivao i na kraju više nije bilo promena pravaca kretanja u odnosu na svetlost (nije više bilo promena u fototaksičkom ponašanju).

Jedan od razloga za nedostatak odgovora u kasnijim generacijama je taj, da kod članova populacija više nije bilo genetičke varijabilnosti za ovu osobinu. Dakle, sve mušice su postale homozigotne za alele koji utiču na ovakvo ponašanje. Ako se to stvarno desilo, fototaksičko ponašanje ne bi moglo da dalje evoluira u toj populciji, osim ako se u populaciju ne uvedu neki drugi aleli za ovo ponašanje, putem migracija ili mutacija.

Ipak, češće se dešava da genetička varijabilnost za ovu osobinu i dalje postoji, čak i pošto se selekcioni odgovor ujednači, ali populacija ne odgovara na selekciju zato što geni za odabranu osobinu imaju štetne efekte na druge osobine. Ovi štetni efekti nastaju zbog genetičke korelacije.

Treba imati u vidu da se ma koja procena h2, kao i kod H2 zasniva na pretpostavci da između bliskih srodnika nije veća sredinska varijansa, i da h2 u jednim uslovima, i u jednom uzorku (populaciji) neće biti ista kao u svim drugim, u neko drugo vreme. Međutim i ako je tako, informacije o h2 mogu biti korisne za oplemenjivače. Njima je važno npr. može li se

43

selekciona šema napraviti tako da poraste stopa rasta pilića i ako može koliko brzo ? [to je viša aditivna genetička varijansa u leglu veća je i h2 usled više korelacije roditelja i potomaka. Ako je h2 vrlo niska mora se, u oplemenjivanju, koristiti neki drugi metod pored selekcije. Ako se utvrdi da je h2 niska, a i H2 takođe niska, znači da je visoka sredinska varijansa u odnosu na genetičku, te se primenjuje promena sredine i VE se snižava. Međutim ako je h2 niska, a H2

visoka, onda nema puno sredinske varijanse, već je aditivna mala, te se moraju primenjivati posebne šeme ukrštanja u kojima se koristi neaditivna varijansa (VD i VI ). Najčešći metod je inbriding.

55. Promena srednje vrednosti i varijanse tokom inbridinga

Najveći broj inbridiingovanih linija se dobija samooplodnjom, i one se potom u svim mogućim kombinacijama ukrštaju i daju hibride pa se najbolji od njih biraju. Iz njih ponovo mogu da se dobiju inbredovane linije, pa opet hibridi itd. Ovakva šema selektuje za efekat dominanse, jer uzima najbolje heterozigote.

Inbriding kao i pozitivno asortativno parenje za fenotip, povećava homozigotnost, ali ima efekat na SVIM lokusima (kao što znamo to je pozitivno asortativno parenje genotipova). Promena srednje vrednosti tokom inbridinga direktno zavisi od koeficijenta inbridinga (F), i ova zavisnost je linearna ukoliko geni deluju aditvno. (Ukoliko ima epistaze onda odnos promena nije linearan).

Prema aditivnom modelu, počinje se od autbridingovane populacije (slobodno ukrštanje) i vrši se inbriding u svakoj generaciji. Posle nekog vremena postiže se uniformnost, homozigotnost, ali jedinke ipak nisu identične jer i dalje postoji sredinska varijansa. Kako VG teži nuli (ć. kako se iscrpljuje genetička varijabilnost), opada fenotipska varijabilnost ali samo unutar jedne linije. Između linija često dolazi do povećanja VP. Zamislimo populaciju sa puno linija. U slučaju inbridinga ili drifta, alelske frekvencije teže 0 ili 1, i dolazi do diferencijacije. Pošto srednje genotipske vrednosti kvantitativnih osobina zavise od alelskih učestalosti na lokusima koji determinišu te osobine, linije se diferenciraju po srednjim vrednostima. Pošto za to vreme genetičke komponente varijanse nestaju, genetička varijansa unutar linija opada, a između linija raste. Dolazi dakle do redistribucije VG u populaciji.

Za vreme inbridinga, efekat selekcije može biti u odlaganju fixacije i redukciji inbriding depresije, (ako selekcija vodi fixaciji boljeg alela na više lokusa, nego što bi se to desilo slučajno). Dakle selekcijom je moguće dobiti visoko inbredovane linije koje daju bolje osobine nego na početku.

Kako vrste sa samooplodnjom opstaju ?- imaju nizak nivo štetnih mutacija jer su u one u "Istoriji" prirodnom selekcijom

uklonjene.- štetni geni su samo "skorašnji " i oni se brzo uklanjaju - uvek dođe makar do slučajne heterooplodnje.

56. Inbriding depresija i heterozis

Najveći broj slučajeva, pokazuje da parenje individua u srodstvu smanjuje srednje fenotipske vrednosti potomstva, naročito one koje su u vezi sa reproduktivnim sposobnostima. Inbriding dovodi do povećanja homozigotnosti i time otkriva delovanje recesivnih gena. Mnogi od recesivnih gena u homozigotnom lokusu, imaju štetan efekat izazivajući sniženje srednjih fenotipskih vrednosti (zakržljalost u pojedinim organima, genske bolesti) i povećanje sterilnosti skoro kod svih organizama. Prouzrokujući sve ove promene, inbriding dovodi do smanjenja adaptivne vrednosti. Inbriding može prema tome da dovede genske alele u određeno, štetno stanje u kome se razvojni procesi slabije odvijaju, a određena svojstva slabije i abnormalno formiraju. Sve te pojave zajedno nazivaju se inbriding depresija.

U heterozigotnim stanjima, ti aleli ne dolaze do izražaja, a sa odgovarujućim alelima daju čak pozitivne efekte.

Međutim, ukoliko se dve inbridingovane linije međusobno ukrste, hibrid u F1 generaciji pokazuje poboljšanje u odnosu na oba roditelja, i ta se pojava naziva heterozis. Heterozis je superiornost heterozigotnih organizama u odnosu na homozigotne. Jedno od objašnjenja bi bilo nastanak overdominanse. Naime, usled ukrštanja dve visoko homozigotizovane linije dolazi do "pokrivanja" normalnim, dominantnim alelom na lokusima koji su sada u heterozigotnom stanju. Ili, različite linije postanu homozigotne za različite štetne recesivne gene, pa se međusobnim ukrštanjem to otkloni.

Heterozis se ne manifestuje uvek u svim svojstvima, jer proizilazi iz alelskih razlika na pojedinim lokusima, koje dovode do superiornoisti nekog svojstva.

44

Superiornost se ispoljava samo u F1 generaciji, a u F2 i u daljim generacijama dolazi do opadanja bujnosti, i u kasnijim generacijama potomci se u opštoj razvijenosti ne razlikuju od roditelja.

57. Veštačka selekcija i komponente adaptivne vrednosti

45