Interaktive læreverk og databaser, molekylær genetikk

Oppslagsverk, dictionaries o.l.

Linker innen cellebiologi

Linker innen biologi

Linker innen biokjemi

Linker innen kjemi

Aktuelt stoff - samfunn og genetikk                                                

Se også: [kap 21 (Gentester, genterapi)] og [22 (Gen- og bioteknologi]

Offentlige lover og utredninger:             

Bioteknologinemnda har en oppdatert oversikt (gå til "LENKER")

Norske lover:

Firmaer innen bio- og genteknologi

Tidsskrifter

BOKEN: Molekylær genetikk - Gå til ett av bokens kapitler:

Til bokens kapitteloversikt 

1. GENETIKK

1.1 GENETIKK - HISTORIE

1860 Genetikk som vitenskap startet i forrige århundre med munken Gregor Mendel ( Mendelweb)

(1822-1884) og hans klassiske krysningsforsøk med erteplanter. Mendels arvelover ble etablert. Disse beskriver det lovmessige nedarvingsmønsteret man finner ved ulike typer krysninger, og ble publisert i 1866. Men først omkring 1900 ble Mendels arbeider oppdaget av verden for øvrig.

1910 Populasjonsgenetikk er en gren av genetikken som ble utviklet av Hardy og Weinberg.

Her blir ikke resultatet av den enkelte krysning studert, men hyppigheten av ulike gener og egenskaper innen en hel populasjon av individer.

1920

Bananfluen (Drosophila) overtok etter hvert erteplantenes plass som studieobjekt nr.1. Kjønnsbundet arv blir beskrevet av Thomas Hunt Morgan omkring 1910. Han laget også kart over genenes avstand ved hjelp av krysninger og rekombinasjon av koblede gener (Nobelprisen 1933).

1928 Det oppdages at arveegenskaper kan overføres fra drepte bakterier til levende bakterier ved såkalt transformasjon ( Griffith ). Arv ble derved knyttet til et kjemisk stoff, som kunne eksistere uavhengig av celler, et arvestoff.

1944 Først i 1944 ble det funnet at dette transformerende arvestoffet var en nukleinsyre: DNA ( Avery m.fl.).

1952 Hershey og Chase påviste at DNA også er arvematerialet i bakteriofag T2 (Nobelprisen 1969).Derved var DNA-epoken innen genetikk, eller den molekylære genetikk innledet. I perioden som fulgte kom oppdagelsene i rekke og rad:

1953 Watson og Crick avdekker den tredimensjonale oppbygningen av DNA , DNA-dobbelspiralen (Nobelprisen 1962).

1955 Benzer gjennomfører detaljkartlegging av T4 rII-locus ved rekombinasjonsanalyse.

1958 Meselson og Stahl o http://en.wikipedia.org/wiki/Meselson-Stahl%27s_Experiment : semikonservativ DNA-.

1958 Kornberg isolerer DNA polymerase fra E. coli (Nobelprisen 1959).

1961 Jacob og Monod lanserer operonmodellen for genregulering (Nobelprisen 1965).

1966 Nirenberg og Khorana etablerer den genetiske kode (Nobelprisen 1968).

1970 Fra 1970 ble restriksjonsenzymer isolert og tatt i bruk. Dette ble innledningen til en ny epoke innen molekylær genetikk, der rekombinant genteknologi er stikkord. I 1972 ble historiens første genkloning gjennomført i laboratoriet. ( Boyer , Cohen , Berg ; Nobelprisen 1980).

1977 To metoder for DNA-sekvensering ble publisert, den ene av Sanger og den andre av Maxam og Gilbert (Nobelprisen 1980). I 1982 var baserekkefølgen til hele genomet til bakteriofag funnet ( 48 502 basepar langt).

1985 PCR ble tatt i bruk, en teknikk som har gjort DNA-analyser utrolig raske. Denne teknikken ble for øvrig beskrevet først av nordmannen Kjell Kleppe i 1970-årene . Kary Mullis får Nobelprisen for denne oppfinnelsen i 1993. SciPeeps

1988 James Watson blir leder for det humane genomprosjektet (HGP- HUGO) [ Wiki , HGPs infosider

med mål bl.a. å kartlegge hele baserekkefølgen til det menneskelige DNA innen år 2005. Dette målet ble nådd i 2000.

1990 For første gang blir genterapi gjennomført på et menneske, i det en fire år gammel jente med defekt i genet for ADA (adenosin deaminase) får tilført egne celler med et friskt, intakt, ADA-gen.

History og Gene Therapy Genterapi - historie, fra NIH

1997 DNA-brikker, kombinert med bioinformatikk tas i bruk. Dette gjør at DNA-analyser kan utføres i større skala og mye raskere enn før.

2001 HGP og Celera Genomics (WIKI ) ( Celera ) kunngjør i fellesskap at det humane genom er ferdig sekvensert.

2002 Genteknologi er i ferd med å bli en del av vår hverdag på mange områder: Industriproduksjon av verdifulle proteiner, nye transgene plantesorter innen matproduksjon, DNA-tester innen klinisk medisin og innen rettsmedisin, osv. Genteknologi er blitt et samfunnsanliggende, der ikke bare fagfolk, men politikere og folk flest skal mene noe, og helst vite noe.

1.2 FORMERING

1.2.1 Prokaryote/eukaryote celler

Prokaryote celler

(hovedsakelig bakterier) mangler cellekjerne. Vi finner likevel arvestoffet, DNA, samlet i et kjernelignende område i cellens cytoplasma, men uten en egen kjernemembran rundt. Tarmbakterien E. coli er brukt som studieobjekt nr. 1 av prokaryote celler. Mye av vår kunnskap om molekylær genetikk har framkommet ved studier av E. coli.

Eukaryote celler (WIKI)

har cellekjerne med kjernemembran. Arvestoffet DNA ligger her, adskilt fra resten av cellen. Alle dyr og planter tilhører denne gruppen, likedan sopp (f.eks. gjærsopp). Eukaryote celler er myestørre en prokaryote, og de har mange spesialiserte celleorganeller, som mitokondrier og endoplasmatisk nettverk. I kap 8.1 er det en nærmere omtale av eukaryote celler.

1.2.2 Haploid/diploid (WIKI)

Kromosomtall hos alle arter (WIKI)

Haploide (WIKI) [ NHGRI]

celler har bare ett sett arveanlegg, gener. Siden genene sitter på kromosomer, kan vi knytte begrepet haploid til ett sett av

kromosomer (WIKI) [ NHGRI ].

Bakterier er haploide. Kjønnscellene hos høyere dyr og planter er haploide. Hos moser og alger finner vi planter som i sin helhet er bygget opp av haploide celler.

Diploide (WIKI) [ NHGRI]

celler har dobbelt sett av kromosomer/gener. En enkel arveegenskap, som evnen til å lage et bestemt enzym, blir da bestemt av to gener, et genpar. Genene foreligger parvis, to og to. Vanlige kroppsceller hos alle høyere organismer er diploide. Det finnes unntak fra dette, f.eks. muskelceller som har mange kjerner, og derved mange kromosomsett.

Genene sitter på store DNA-molekyler som utgjør kromosomene, og haploide celler har ett sett med kromosomer, diploide celler har to sett.

Det haploide kromosomtallet angis som n (WIKI)

Hos mennesket er n = 23, hos bananflue er n = 4, hos gjærceller er n = 16 (se tabell 1.1). I diploide celler er det dobbelt sett av kromosomene. Hos mennesket har vi da 2n = 46.

Det finnes også organismer og celler som har flere enn to kromosomsett, de er

polyploide (WIKI) .

Potet er f.eks. tetraploid (4n = 48), jordbær et oktaploid (8n = 56)

1.2.3 Kromosomer

Kromosomer (WIKI) [ NHGRI ]

er de DNA-holdige strukturer som bærer genene (arveanleggene). E. coli har normalt bare ett kromosom. En diploid menneskecelle har 46 kromosomer i cellekjernen (23 par). Hvert kromosom i eukaryote celler inneholder et kjempestort DNA-molekyl, som er pakket sammen med proteiner (se kap. 8.2 ).

De to kromosomene som utgjør et par sies å være

homologe (WIKI) .

De er like store og inneholder det samme sett av gener. På to homologe kromosomer finner vi da to sett av de samme genene. 22 av de 23 kromosomparene hos mennesket består av to like store homologe kromosomer, og disse kromosomene kalles

autosomer (WIKI).

De nummereres fra 1 til 22, der nr. 1 er størst (se fig. 8.2). To homologe kromosomer (autosomer) er ikke bare like store, men de har også nesten identisk rekkefølge av baser i sitt DNA.

X og Y

Det siste kromosomparet er kjønnskromosomene. Av disse er det to slag,

 X (WIKI) og Y (WIKI) ,

hvorav Y er mye mindre enn X. Menn har XY og kvinner XX. Derved vil sædcellene ha enten X eller Y, og dette bestemmer kjønnet ved befruktningen. Noe liknende finner vi hos

andre arter (WIKI)

Hos mange insekter har hunnen XX og hannen bare X (XO), Y-kromosomet finnes ikke. Hos fugler er det hunnen som har ulike kjønnskromosomer (ZW), mens hannen har to like (ZZ).

Genom [ NHGRI ]

betyr det samlede sett av DNA. Genomet til bakteriofag λ (WIKI) er ett DNA-molekyl på 48 502 basepar. E. colihar et kromosom som består av et DNA-molekyl på ca. 4000000 basepar. I tillegg kan E. coli inneholde DNA (gener) i plasmider (WIKI).

Det vil da være utenom kromosomet (ekstrakromosomalt), men det tilhører cellens totale genom.

Diploide eukaryote celler har to sett kromosomer. De to homologe kromosomene i ett kromosompar har som nevnt nesten identisk DNA-sekvens. Genomet til en slik organisme er da DNA-innholdet i ett sett kromosomer, altså i det haploide kromosomtall. Det humane genom er derved alt DNA som finnes i ett haploid sett på 22 autosomer + X og Y. Men også mitokodriene inneholder DNA og gener, og også dette vil være en del av vårt totale genom. Vi kan snakke om et kromosomalt (nukleært) genom og et ekstra- (utenfor-) kromosomalt (mitokondrielt) genom.

Kromatider (WIKI) (se fig. 1.1)

Før og under celledelingen vil et kromosom se ut som to tråder som henger sammen på ett punkt. Hver av disse trådene er et fullstendig DNA-molekyl, ett kromosom, med alle dets gener m.m. De to trådene er to identiske kopier, og kopieringen av DNA (replikasjonen) har foregått på forhånd. En enkelt tråd kalles enkromatide. De to identiske kromatidene kalles søsterkromatider, og de henger sammen i ett område som kalles

sentromer (WIKI) NHGRI .

Betegnelsen kromatide er bare aktuelt å bruke i forbindelse med DNA-replikasjon og mitose/meisose.

1.2.4 Mitose

Mitose (WIKI) 

er vanlig celledeling. Resultatet etter en mitose er at de nye cellene (dattercellene) vil inneholde nøyaktig de samme gener / kromosomer som den opprinnelige cellen (morcellen). Forut for mitosen må alt DNA i morcellen ha blitt replikert (kopiert). I mitosen blir disse kopiene fordelt likt på de to dattercellene.

Når en flercellet organisme vokser, skjer det ved at cellene gjennomgår mitoser. Hvis en celle (eller celler) fra ett individ kan gi opphav til nye individer gjennom mitoser, er det ukjønnet formering. Individene blir da arvemessig like. Hos planter er dette vanlig, men ikke hos høyerestående dyr. Når forskere klarer å få en sau til å formere seg ukjønnet

(Dolly (WIKI) ), er det kloning (WIKI)

Denne muligheten vakte betydelig interesse og debatt da det ble offentlig kjent i 1997 (se kap. 22 ).

5 faser (se fig. 1.2)

Det er vanlig å dele mitosen i

fem stadier eller faser (WIKI):

profase, prometafase, metafase, anafase og telofase. I tillegg nevner vi gjerne interfasen, perioden før mitosen (eller mellom to mitoser) og cytokinesen, selve adskillelsen til to celler. Ofte slår man sammen prometafasen og metafasen, slik at det bare blir fire faser.

Interfasen (WIKI) (mellomfasen) 

regnes ikke som en del av mitosen. Her foregår DNA-replikasjonen. Hvert kromosom vil starte som én DNA-dobbelttråd, og ende opp som to identiske DNA-dobbelttråder, som kalles søsterkromatider (fig. 1.1). Interfasen er også delt opp i ulike faser (fig. 1.3), der replikasjonen forgår i S-fasen (S = syntese).

1 Profasen (WIKI) . Kromosomene kondenserer.

Kromosomene blir kortere og tykkere (mer om dette i kap. 8.2). De blir da synlige i mikroskop. Utenfor cellekjernen har sentrosomen delt seg i to, og fra disse dannes det proteintråder (spindel). Hvert sentrosom inneholder et par sentrioler, og det er ofte disse som blir omtalt i forbindelse med spindeldannelse. Sentrosomene beveger seg mot hver sin side (pol) av cellekjernen, de kalles derfor også for pollegemer.

2 Prometafase (WIKI). Spindel fester seg.

Cellekjernen, dvs. kjernemembranen, går i oppløsning. Spindelet fester seg mellom sentromeren i hvert kromosom og sentrosomen ved hver pol. Sentromeren er et bestemt område av kromosomets DNA. På dette området dannes det et spindelfeste av protein

( kinetochore (WIKI) ),

som spindeltrådene egentlig fester seg til.

3 Metafase (WIKI). Samling i ekvatorialplan.

I metafasen (mellomfasen) samler alle kromosomene (hos mennesket 46) seg i et plan midt i cellen, etekvatorialplan eller metafaseplate. Vi vil da ha spindel mellom sentromeren i hvert kromosom og de to sentrosomene, altså fra ekvator til begge polene.

4 Anafase (WIKI) . Splitting av kromosomene.

I anafasen (splittingsfasen) forkortes spindeltrådene, slik at de to identiske kromatidene i hvert kromosom dras fra hverandre, en til hver pol. Resultatet blir identiske og fullstendige sett kromosomer til hver side.

5 Telofase (WIKI) . Kromosomene samles.

Til slutt, i telofasen (sluttfasen), samles de to separerte kromosomsettene ved hver sin pol, og det dannes to nye kjernemembraner rundt dem.

Cytokinese (WIKI) . Adskillelse av to celler.

Telofasen representerer slutten på selve mitosen. Den fysiske separasjonen av de to cellene kalles cytokinese. De to nye cellene "snøres" av fra hverandre ved at et dannes en ny cellemembran rundt begge.

Cellesyklus (WIKI) Kimball

Før neste celledeling må kromosomene (DNA) igjen bli replikert (interfase). Hvis vi tenker oss at en cellesyklus tar 24 timer, vil interfasen utgjøre ca. 23 timer, og selve delingen bare en time. En cellesyklus deles i flere stadier (se fig. 1.3).

I G₁-fasen (WIKI)

(10 timer) blir replikasjonen forberedt (G = gap, mellomrom).

I S-fasen (WIKI)

(9 timer) foregår selve replikasjonen av DNA (S = syntese).

I G₂-fasen (WIKI)

(4 timer) er replikasjonen ferdig, og kromosomene foreligger doble (to søsterkromatider). Til slutt kommer selve mitosen (M-fasen), som bare tar ca. 1 time. Hvis en celle ikke skal dele seg videre, vil den gå inn i G₀-fase.

Kontroll

For at ikke cellene skal dele seg uhemmet, er det en kontroll av cellesyklus, som eventuelt kan stoppe den videre prosess. Det er tre viktige kontrollpunkter (checkpoints), nemlig ved G1 (før replikasjon i S) og ved G2 (før selve mitosen) og før splittingen i anafasen (se kap. 8.10.2). Manglende kontroll her kan gi uhemmet cellvekst og deling, som kan føre til kreft.

1.2.5 Meiose (WIKI) og kjønnet formering (WIKI)

 MAX animasjo MAX animasjon (mit/mei-ose) MAX animasjon (uavhengig fordeling)

Meiose er reduksjonsdeling. Én diploid celle gir da opphav til fire haploide datterceller, en tetrade. Hos høyerestående dyr og planter betyr dette dannelse av kjønnsceller, som foregår i kjønnsorganene. Meiosen er egentlig to delinger, første og andre meiotiske deling. Også før meiosen foreligger alle kromosomene ferdig replikert, i form av to søsterkromatider.

Første meiotiske deling (WIKI)

Vi kan dele denne prosessen i de samme fem trinnene som mitosen. Under profasen (profase I), når kromosomene kondenserer, vil homologe kromosomer (kromosompar) legge seg ved siden av hverandre i en tett forbindelse

(synapse (WIKI) ),

de vil danne en "bivalent". En slik bivalent vil da bestå av fire kromatider (tetrade). Av disse er to fra mor og to fra far. Det er på dette stadiet at

overkrysning (WIKI)

foregår. Dette er ikke vist i fig. 1.4, men i fig. 1.7. I kap. 12.6 omtales mekanismen ved overkrysning.

Profase I (WIKI) ,

der overkrysningen skjer, blir delt i fem understadier: leptotén, zygotén, pachytén, diplotén og diakinese.

Under metafase I, når kromosomene samles i midten, vil de fremdeles foreligge i par, f.eks. 23 par hos mennesket. Overkrysning har da funnet sted. I anafasen blir så de to homologe kromosomene skilt til hver sin kant. Hos mennesket vil da 23 kromosomer gå til hver sin kant, nemlig ett fra hvert par. Hvert kromosom består da fremdeles av to kromatider. På grunn av overkrysning er ikke disse lenger identiske.

Andre meiotiske deling (WIKI)

Etter første deling har vi ett sett av kromosomer i hver av de to dattercellene (haploid), men kromosomene har to kromatider. Det skjer da en deling som tilsvarer mitosen. Alle kromosomene samles i ekvatorialplanet i metafasen (metafase II), og hvert kromosom splittes i sine to kromatider. Resultatet blir fire haploide celler, og hvert kromosom er bare én kromatide.

Kjønnsceller hos mennesker

Menn produserer sine sædceller (spermier) i testiklene (testes) ved spermatogenesen , kvinner sine eggceller i eggstokkene (ovariene) ved oogenesen . (WIKI)

Kvinner har et gitt antall anlegg for eggceller (noen millioner). Disse er dannet før fødselen, og det kreves ca. 30 mitoser for å danne disse anleggene. I kjønnsmoden alder modnes en og en eggcelle i hver menstruasjonssyklus i en follikel, og slippes ut i egglederen (uterus). Selve meiosen fullføres ikke før eggcellen evt. blir befruktet av en sædcelle.

Menn produserer nye sædceller hele livet, og nye anlegg dannes hele tiden ved mitoser. Bak en sædcelle ligger det derfor mange flere mitoser, og flere jo eldre mannen er. Dette er en viktig årsak til at det finnes flere feil (mutasjoner) i en sædcelle enn i en eggcelle (!). I hver sædutløsning finnes det ca. 200 mill. sædceller, men bare en kan trenge inn i eggcellen og befrukte denne.

Befruktning (WIKI) (se fig. 1.5)

Når to haploide celler (eller kjerner) smelter sammen, har vi en befruktning. Den diploide cellen som oppstår kalles en

zygote (WIKI)).

Dette foregår ved

kjønnet formering (WIKI)) .

Ved ukjønnet formering (WIKI)

oppstår nye individer bare ved mitose, vanlig celledeling.

Biologisk variasjon

Ved ukjønnet formering blir avkommet genetisk lik opphavet. Det blir ingen biologisk variasjon fra generasjon til generasjon. Ved kjønnet formering blandes genene fra to ulike celler på en ny måte ved befruktningen. Nye kombinasjoner av gener oppstår, og den nye generasjonen blir genetisk ulik opphavet.

Grunnlaget for den store variasjonen ligger i meiosen. Hos mennesker vil hver kjønnscelle ha ett kromosom fra hvert av de 23 parene. Vi kan kalle de 23 kromosomparene her for 1A/1B, 2A/2B, 3A/3B, ... 22A/22B og X/Y. De to kromosomene fra hvert kromosompar fordeles uavhengig av hverandre (se fig. 1.6). Vi kan tenke oss at vi først trekker 1A eller 1B. Deretter trekker vi 2A eller 2B osv. Til slutt trekker vi Xeller Y. Dette kan gjøres på 2²³ ulike måter, dvs. ca. 8×10⁶ (8 mill) måter. Så mange ulike sædceller/eggceller kan vi få ut fra dette.

Ved befruktning trekkes én av sædcellene fra far og én av eggcellene fra mor ut. Dette gir (8×10⁶) ×(8×10⁶) = 6,4×10¹³ kombinasjoner. Så mange kombinasjonsmuligheter er det da når et menneskebarn skal skapes, ut fra dette resonnementet, men:

Overkrysning (WIKI)

Imidlertid er variasjonsmuligheten enda mye større. Under profasen i meiosen vil homologe kromosomer i morcellen ligge fysisk inntil hverandre. Dette er i alt fire kromatider, dvs. fire lange DNA-molekyler. To og to av disse er identiske (søsterkromatidene), mens DNA fra to homologe kromosomer er nesten helt like, kanskje 99,9 %.

Det vil da kunne skje brudd på to kromatider på samme plass, og de kobles sammen igjen på kryss (se fig. 1.7). Dette kalles overkrysning og (homolog)

rekombinasjon (WIKI) .

Vi kan si at kromatidene bytter biter med hverandre. Selve overkrysningen foregår på tilfeldige steder, og ulikt fra gang til gang, og gjerne flere steder langs ett kromosom ved samme meiose. I gjennomsnitt foregår det ca. 50 overkrysninger i løpet av en meiose hos mennesket. I fig. 1.7 ser vi at genene A og b, som opprinnelig sitter på hvert sitt kromosom, etter overkrysningen har kommet på samme kromosom. Vi har fått en ny kombinasjon av gener.

Resultatet etter overkrysningen blir at hvert kromosom som en kjønnscelle mottar, vil være en blanding av de to opprinnelige kromosomer i morcellen. Dette gir ubegrenset genetisk variasjon blant kjønnscellene, og enda mer i det nye individet etter befruktning.

Hvert kromosom som vi arver fra vår mor, er derved høyst sannsynlig en blanding av de to kromosomene som hun hadde av dette paret. Det samme gjelder fra vår far.

"Rekombinant DNA" er altså ikke noe som menneskene har funnet på. Sammen med mutasjoner er dette naturens måte å sørge for variasjon i det genetiske materiale fra generasjon til generasjon, og således en av forutsetningene for biologisk variasjon og utvikling. I tillegg til genetisk variasjon er

seleksjon (naturlig utvalg) (WIKI)

grunnlaget for denne biologiske utviklingen. Se kap. 13.5.

1.3 GENER

Gen (WIKI) (NHGRI)

er det samme som arveanlegg. Men begrepet gen er ikke helt klart definert, og det har endret innhold i løpet av genetikkens historie. "Ett gen - ett polypeptid" var lenge en slags molekylærbiologisk grunntanke, dvs. at et gen er en DNA-sekvens som koder for ett protein . Men DNA som koder for rRNA eller tRNA kalles også gener, selv om det ikke blir laget noe polypeptidprodukt. Og gener hos eukaryote celler har lange ikkekodende sekvenser (introner) mellom de kodende. Et gen kan derved defineres slik, hvis man skal være meget kort:

Et gen er en avgrenset del av et kromosom, som kreves for produksjon av et funksjonelt produkt. De aller fleste gener koder for et protein.

Fenotypen (WIKI) NHGRI

av en organisme er de egenskaper den har. Egenskapene kan være synlige eller ikke. Ofte dreier det seg om egenskaper på biokjemisk nivå, evnen til å bryte ned laktose, evnen til å produsere leucin osv.

Vi skal bruke ABO-blodtypesystemet ( OMIM ) som eksempel for å innføre noen grunnbegreper fra genetikken. Vi sier vanligvis AB-null, og skriver ABO (ikke AB0), men noen ønsker også å uttale dette A-B-O. Her finner vi fire fenotyper: Blodtype A, B, AB eller O (se tabell 1.2). Disse hovedtypene kan også deles inn ytterligere i undergrupper, spesielt A som deles i A₁ og A₂. Mer om disse blodtypene finner du i kap. 13.6.

Alleler (WIKI) NHGRI

Ett bestemt gen kan foreligge i flere mulige varianter. Slike ulike varianter kalles alleler. Innen ABO-systemet har vi tre vanlige alleler, altså tre mulige varianter av dette genet . Disse er A, B eller O (gener skrives i kursiv). Noen bruker skrivemåten I ^A, I ^B og I^O, men vi skal holde oss til A, B, O. Når det forekommer flere varianter av DNA i ett locus, brukes ofte begrepet polymorfisme. Ulike alleler er eksempel på polymorfisme. Vi finner DNA polymorfisme også utenom de kodende genene, altså i andre deler av kromosomene (se kap. 13.4).

Genotypen (WIKI) NHGRI

til en organisme/celle er hvilke gener (eller varianter av gener) den inneholder. Hos haploide celler er det bare ett gen av hvert slag (som bestemmer en enkeltegenskap), mens diploide celler har to gener av hvert slag. Hvis det finnes to alleler (A og a), har vi tre mulige genotyper, AA, Aa og aa. For ABO-systemet, der vi har tre ulike alleler (A, B og O), kan vi ha seks mulige genotyper: AA, AO, BB, BO, OO og AB (se tabell 1.2).

Locus (WIKI)

Hvert gen har sin bestemte plassering i kromosomet. Dette kalles en locus, eller genlocus (WIKI) (flere loci). Genet som bestemmer blodtypen (ABO) har én locus. Dette er en bestemt posisjon i kromosom 9 (9q34). ABO-genet (OMIM) har da denne posisjonen (locus) hos alle mennesker.

Homozygot (WIKI) , heterozygot (WIKI) ( NHGRI )

Hos diploide organismer bestemmes enkle arvelige egenskaper av to gener, ett genpar. Hvis de to allelene i ett genpar i en celle er like, sier vi at cellen er homozygot. Hvis de to allelene er ulike, er cellen heterozygot. En person med genotype AA er homozygot, og en person med genotype AO er heterozygot. Se tabell 1.2.

Dominant (WIKI), recessiv (WIKI) (NHGRI )

Når et individ har en genotype som er heterozygot, vil ofte det ene allelet være bestemmende for fenotypen. Personer som har genotype AO vil få fenotype blodtype A. Allelet A er da dominant over O, mens allelet Oer recessivt (vikende). Personer som er heterozygote AB, vil få en egen blodtype, AB. Begge allelene bestemmer, eller slår gjennom, vi sier at de er kodominante (WIKI) . Et litt annet fenomen er ufullstendig dominans (WIKI) .Et eksempel på dette kan være fargen på erteblomster. Rød farge skyldes allelet R, hvit farge allelet r. En heterozygot plante Rr får rosa farge. Genet for rød farge er ufullstendig dominant over genet for hvit. Dette fenomenet er også blitt kalt intermediær arv .

Rhesus (WIKI) ( OMIM ) og MN ( OMIM ) er to andre blodtypesystemer, som litt forenklet kan beskrives slik: Rhesus (D)-systemet har to alleler: D som gir Rh(D)+pos (Rh-pluss) og d som gir Rh(D)-neg (Rh-minus). Der dominant over d, slik at en heterozygot Dd får blodtype Rh(D)+pos

(Blodgrupper, fra UiO ).

Rhesussystemet består egentlig av flere deler enn bare Rh(D), se kap. 13.6.

I MN-systemet har vi også to alleler, M og N, som gir hver sin blodtype M eller N. Men disse allelene er kodominante, slik at heterozygote MN får en egen fenotype, blodtype MN.

Sykdom

Når det gjelder arvelige sykdommer, så er genene som gir disse sykdommene ofte recessive, noe som kan forklares. Mange av disse sykdommene er stoffskiftesykdommer. Det normale allelet P koder for et enzym. Sykdomsallelet p har en feil i koden, og det gir ikke noe funksjonelt enzym. En heterozygot Pp vil ha ett normalt allel som gir rett enzym. Dette er tilstrekkelig, og vedkommende er ikke syk. Sykdomsallelet p er da recessivt. For å bli syk, må man mangle det friske genet P, man må være homozygot for sykdomsgenet, pp.Da må man ha arvet et sykdomsgen p fra både far og mor. En person som er heterozygot Pp vil være frisk, men vil være bærer av et sykdomsgen. Ordet sykdomsgen er noe misvisende. Et gen gir egentlig ikke noen sykdom, men det kan gi et proteinprodukt (eller mangel på et) som medfører sykdom. Kap. 20 tar spesielt opp arv og sykdom, med en rekke konkrete eksempler på arvelige sykdommer.

For haploide organismer vil én bestemt genotype helt sikkert gi vedkommende fenotype. Organismen har jo bare dette ene genet som bestemmer fenotypen. Cellene har bare P eller bare p.

Multiple alleler

Vi har nå møtt eksempler på at det forekommer to alleler (Dd) eller tre alleler (ABO) av et gen. Det er mange eksempler på at ett bestemt gen kan forekomme i mange flere utgaver enn dette. Ett kjent eksempel er øyenfargen hos bananfluer. Det normale allelet ("villtype") gir rød farge, og det er funnet en lang rekke ulike mutanter av dette genet som gir ulike variasjoner av lysere øyefarger.

Skrivemåte for gener

Når man skriver genotype og fenotype, er det visse regler for hvordan dette skal gjøres.

Bakteriers 

gener skrives med tre små bokstaver (WIKI) i kursiv, f.eks. leu. ( Fra Sigma ) Man bruker hevet + for å angi om allelet er normalt, f.eks. leu⁺. Hvis genet er defekt (har en feil) bruker vi en hevet - (leu). Betegnelsenvilltype brukes gjerne om det normale (+), mens (-) er en eller annen mutant. Et mutantgen er ofte defekt, det gir ikke noe funksjonelt produkt.

Hvis det er flere gener som innvirker på én egenskap kan det brukes store bokstaver bak (trpA, trpB osv). I tillegg brukes det tall hvis det finnes flere ulike mutanter i samme gen (leuA58).

Fenotype skrives med vanlige bokstaver, og stor forbokstav, samt + eller -. En celle som har normal evne til å lage leucin skrives Leu ⁺, mens en mutant som ikke kan lage leucin skrives Leu.

Eukaryote

Hos gjærceller (URMC) er det også vanlig å angi gener med tre bokstaver og kursiv. Men istedenfor + og - bruker man store bokstaver for villtype (LEU) og små bokstaver for mutanter (leu).

For humane gener finne det retningslinjer (HGNC Guidelines) for hvordan genene bør navnsettes. Det brukes både bokstaver og tall, og disse er gjerne en forkortelse for det protein som genet koder for, eller for en sykdom som er assosiert med genet. Noen eksempler illustrere dette. Genet GAPDH (HGNC) koder for enzymet glyceraldehyd-3-fosfat dehydrogenase. Genet BRCA1 er et gen som gir tidlig brystkreft (Breast Cancer). Genet APOE koder for Apolipoprotein E. EYCL3 er med på å bestemme øyenfarge. Genet ABO bestemmer blodtypen i ABO-systemet.

Se også tabell 20.1.

1.4 KLASSISK GENETIKK 

FRA UiO Fra NDSU

Gregor Mendel (WIKI) krysset planter med ulike arvelige egenskaper, som ertenes form og farge, blomstenes farge m.m. Han dyrket opp frøene fra én krysning, og telte antall planter i den nye generasjonen som hadde en bestemt egenskap (fenotype). Ut fra dette fant han enkle lovmessigheter, som er blitt kalt Mendels lover. Mendel kjente ikke til at det var noe arvestoff, DNA, som ble replikert og fordelt ved meiosen. Men hans resultater kan nå ses i lys av vår nye kunnskap om dette. En enkel gjennomgang av hans resultater er stadig lærerikt og illustrerende

 ( og Forskningens mørke sider )

1.4.1 Monohybrid krysning (WIKI)

Vi studerer først krysninger der vi bare betrakter én egenskap (fenotype)

 Mendel så (KIMBALL)

bl.a. på blomstenesfarge (rød/hvit) eller ertenes form (rund/rynket) og

 farge (grønn/gul) (ACCESS)

Vi holder oss til ertene. I sine forsøk startet Mendel med planter som utgjorde rene linjer. Hvis planter innen en ren linje blir krysset med hverandre innbyrdes, vil avkommet hele tiden få samme fenotype som foreldrene. Dette skyldes at disse plantene er homozygote.

P-F₁-F₂

Den første generasjonen (den rene linje) blir kalt P-generasjonen (P = parents, foreldre), den neste F₁-generasjonen. Hvis individer fra F₁ blir krysset innbyrdes, får vi F₂-generasjonen.

Vi starter med en P-generasjon der den ene av foreldrene (f.eks. mor) har gule erter og den andre (far) har grønne erter (husk at også planter har han- og hunkjønn). Begge disse var rene linjer. Alle de nye ertene i F₁-generasjonen ble like, nemlig gule. Disse ble så dyrket opp og krysset innbyrdes. Resultatet av denne krysningen (F₂) kunne f.eks. være 351 gule erter og 118 grønne erter, dvs. gule/grønne i forholdet 3:1. Dette forholdet ble bekreftet gjennom mange forsøk.

Forklaringen på dette resultatet er vist i fig. 1.8. Genet (allelet) for gul farge (G) er dominant over allelet for grønn farge (g), som da er recessivt. Den ene av P-generasjonen, med fenotype gule erter (mor), hadde genotype GG. Den andre, med grønne erter (far) hadde genotype gg. Etter meiosen vil kjønnscellene til mor helt sikkert inneholde allelet (G), og kjønnscellene til far (g). Ved befruktning vil vi da få F₁-planter som alle har genotype Gg, altså heterozygote. Siden G er dominant over g, vil alle F₁-plantene få fenotype gule erter. Ved meiose vil disse plantene danne kjønnsceller der halvparten har allelet (G) og halvparten (g). Disse allelene sitter i samme locus på de to homologe kromosomene. Allelene (G) og (g) blir atskilt ved meiosen.

Befruktningen er som et lotteri: Det "trekkes" én tilfeldig kjønnscelle fra far og én fra mor. Det betyr at vi får (G) eller (g) fra far og (G) eller (g) fra mor. Dette gir fire kombinasjonsmuligheter, som kan vises i et 2× 2 krysningsskjema (fig. 1.8). Et slikt kvadratisk krysningsskjema kalles gjerne "Punnett square" -Punnettkvadrat. Av fenotype skal vi da få 3/4 gule erter og 1/4 grønne erter. Det var dette Mendel fant.

Mendels første lov

Hvert gen foreligger som et par alleler, og disse skiller lag tilfeldig, slik at de har samme sjanse for å bli ført videre.

1.4.2 Dihybrid krysning (WIKI) (Enkel interaktiv)

Vi studerer nå to egenskaper samtidig, f.eks. ertenes farge (gul eller grønn) og ertenes form (rund eller rynkete). Genene bak disse egenskapene kaller vi:

Farge G = gul og g = grønn

Form R = rund og r = rynkete.

P-generasjonen (homozygot, rene linjer):

GUL og RUND (GG RR)

´ grønn og rynkete (gg rr)

Kjønnscellene fra P må bli henholdsvis (G R) og (g r), og derved vil alle i F₁-generasjonen bli like, nemlig (Gg Rr), GUL og RUND.

Kjønnscellene fra F1 blir av fire typer: (G R), (G r), (g R) og (g r). Hvis genparene Gg og Rr skilles fra hverandre uavhengig, får vi like mye (1/4) av hver type. Når begge foreldre er fra F₁ vil vi trenge et krysningsskjema (Punnettkvadrat) på 4 × 4 ruter, fordi vi har fire mulige kjønnscelletyper fra hver av foreldrene (se fig. 1.9).

Krysningsskjemaet viser både genotype (f.eks. Gg rr) og fenotype (gul, rynket). Vi ser at bare 1 av de 16 rutene gir grønne og rynkete erter. 9 får gule og runde, 3 får gule og rynkete, 3 får grønne og runde. Vi får det typiske dihybride spaltningsforholdet 9:3:3:1. Det var nettopp dette Mendel observerte da han telte ertene etter en slik krysning. Han kunne derved trekke sin andre hovedkonklusjon:

Mendels andre lov(WIKI)

Ulike allelepar fordeles til neste generasjon uavhengig av hverandre.

Denne lovmessigheten gjelder bare når genene sitter på ulike kromosomer, dvs. at de ikke er koblet. Gener på samme kromosom vil ha en tendens til å følge hverandre og nedarves sammen. Mer om dette senere (1.5).

Statistisk analyse

I Mendels forsøk og andre krysninger får vi ikke nøyaktig tallforholdene 3:1 eller 9:3:3:1 osv. Tilfeldighetene vil gjøre at vi bare får i nærheten av dette forholdet. Vi kan f.eks. få 76:22. Kan vi si at dette3:1? For å teste dette kan vi bruke en statistisk metode som kalles c²-testen (kji-kvadrat)(WIKI) . Den blir gjennomgått i 1.7.

Tilfeldigheter

Vi kan også tenke oss et foreldrepar der mor har genotype AO (blodtype A) og far AB. Hvilke blodtyper vil deres barn få? Fig. 1.10 viser et krysninsgsskjema for dette paret, forenklet satt opp. Vi leser av dette at sannsynligheten for blodtype A er 2/4 = 0,5 (50 %). Men det betyr selvfølgelig ikke at annethvert barn vil få blodtype A. De kan godt få tre barn uten at noen av dem får blodtype A, som et resultat av tilfeldigheter.

1.4.3 Litt sannsynlighetsregning

http://staff.jccc.net/pdecell/transgenetics/probability.html

Multiplikasjon

La oss først se på krysningen med erteplanter der begge foreldrene er (Gg), slik som i fig. 1.8. Ved meiosen dannes det like mange kjønnsceller med G som g. Ved én befruktning er da sannsynligheten 50 % for å "trekke" G og 50 % for å trekke g, til sammen 100 %. I stedet for å bruke % oppgir vi gjerne sannsynligheter som desimaltall (0,5), evt. som brøk (½). Sannsynligheten for å trekke g fra far er 0,5 og det samme er det fra mor. Sannsynligheten for å trekke gg er da 0,5 × 0,5 = 0,25. Vi må altså gange sammen sannsynlighetene ved såkalt samtidige hendelser.

Addisjon

Sannsynligheten for GG er også 0,5 × 0,5 = 0,25. En heterozygot Gg kan vi oppnå på to måter, G fra far ogg fra mor (Gg) eller omvendt (gG). Sannsynligheten for hver av disse er 0,5 × 0,5 = 0,25, til sammen 0,5. Vi må altså legge sammen sannsynlighetene for såkalt påfølgende (uavhengige) hendelser. Dette kan vi også lese ut fra Punnetkvadratet, der vi har fire ruter, hver med sannsynlighet 0,25 (¼). Fenotypisk får vi da: Sannsynligheten for grønn (gg) er 0,25 og for gul (GG eller Gg) er 0,25 + 0,5 = 0,75.

Flere utfall

La oss se på et litt mer komplisert eksempel. Vi antar at sannsynligheten for å få gutt (G) og jente (J) er like stor (0,5) for hver fødsel. For et par som har fire barn, hva er da sannsynligheten for 3 jenter og 1 gutt? Sannsynligheten for ett bestemt utfall med 1 gutt (f.eks. GJJJ) er da (0,5) × (0,5)³ = 0,0625 (= 1/16). Men det er fire ulike utfall som gir en gutt, nemlig GJJJ. JGJJ, JJGJ og JJJG. Vi må derfor gange resultatet over (0,0625) med 4, og får da 0,25 (25 %).

Antall utfall

La oss se på alle tenkelige utfall med fire barn:

•4 jenter. Dette kan bare skje på en måte (JJJJ), n = 1. Sannsynligheten er da P = 1 × (1/16) = 1/16.

•3 jenter + 1gutt. Dette kan skje på 4 ulike måter, n = 4 (GJJJ, JGJJ, JJGJ, JJJG). P= 4 × (1/16) = 1/4.

•2 jenter + 2 gutter. n = 6 (JJGG, JGJG, JGGJ, GJJG, GJGJ, GGJJ). P= 6 × (1/16) = 3/8.

•1 jente + 3 gutter = 3 gutter + 1 jente (1/4)

•4 gutter = 4 jenter = 1/16.

•Summen av alle er (1 + 4 + 6 + 4 + 1)/16 = 1

(a+b)ⁿ

For å finne antall utfall og sannsynligheter kan vi bruke uttrykket (a+b)ⁿ. Her er a og b sannsynlighetene for hver enkelt hendelse (0,5 og 0,5 for gutt/jente), n er antall barn. Med fire barn gir dette:

(a+b)⁴ = a⁴ + 4a³b + 6a²b² + 4ab³ + b⁴

Her vil a⁴ representere fire gutter, a³b tre gutter og en jente osv. Legg merke til at koeffisientene (1-4-6-4-1) er de samme som antall "måter" i regnestykket over. Sannsynlighetene blir:

a⁴ = (½)⁴ = 1/16

4a³b = 4 × (½)³ × (½) = 1/4 osv.

Vi får samme resultat som før.

Ulik sannsynlighet

Vi kan også bruke formelen (a+b)ⁿ når sannsynlighetene a og b er ulike. Vi tenker oss to foreldre som begge er heterozygote (Cc) for en recessivt arvelig tilstand, f.eks. cystisk fibrose (CF). Sannsynligheten for å få et barn med CF er ¼, og for et barn som ikke har CF ¾ , altså a = ¼ og b = ¾. De skal ha tre barn. Hva er sannsynligheten for at de får henholdsvis ingen, ett, to eller tre barn med CF?

Vi har generelt:

(a+ b)³ = a³ + 3a²b + 3ab² + b³

Ingen barn med CF: b³ = 1 ´(¾)³ = 0,422 42 %

Ett barn med CF: 3ab² = 3 ´(¼)(¾)² = 0,422 42 %

To barn med CF: 3a²b =3 ´(¼)²(¾) = 0,141 14 %

Tre barn med CF:a³ = 1 ´(¼)³ = 0,016 1,6 %

Binomialformelen

For større antall enn over kan vi regne ut antall utfall med "binomialformelen". Totalt antall barn = N, og vi betrakter et antall på n. Disse n kan da trekkes på ("N over n") måter. Hvis vi har N = 6 (barn) totalt, og vi skal se på ("trekke") n = 2 gutter, vil dette gi:

... = 15 utfall. Med seks barn er sannsynligheten for hvert utfall med to gutter og fire jenter: (0,5)²× (0,5)⁴ = 0,015625. Dette må ganges med antall utfall (15) og vi får sannsynligheten for to gutter P = 0,23 (23 %).

Med store tall kan det være nyttig å kunne omforme binomialformelen, her vist med 4 av 10.

Hva er da sannsynligheten for at to av seks barn får CF hos et par der begge foreldre er heterozygote (bærere)? Vi får da:

P = (¼)²´(¾)⁴´...= 0,0198 ´15 = 0,297 (29,7 %)

Samme regnestykke vil gi følgende sannsynligheter for null, ett, to barn med CF av seks:

0 (0,178), 1 (0,356), 2 (0,297), 3 (0,132), 4 (0,033), 5 (0,004) og 6 (0,0002).

1.4 Kjønnsbundet arv (WIKI)

Som nevnt tidligere er Y-kromosomet betydelig mindre enn X. Menn er XY, mens kvinner er XX. Det sitter en mengde gener på X-kromosomet, og disse genene vil derved menn bare ha ett av, kvinner vil ha to. Dette gjør at arvemønsteret er ulikt hos kvinner og menn. Arv som er knyttet til gener på X-kromosomet kalles kjønnsbundet (X-linked) (WIKI). Vi bruker betegnelsen hemizygot(WIKI) når det bare er ett gen til stede. Kjønnsbundet arv er også omtalt i kap. 20.4.

Vi kjenner mest til recessiv kjønnsbundet arv. Blødersyke og fargeblindhet er kjente eksempler fra mennesker. Hos bananflue er det også kjent en rekke slike arveegenskaper, f.eks. øyenfarge (rød/hvit). Når vi lager et krysningsskjema for kjønnsbundet arv, må vi vise om det er X- eller Y-kromosomet, og vise genotypen på X. I resultatet må vi spesifisere fenotypeforholdet hos hvert av kjønnene (fig. 1.11).

Vi kan merke oss følgende generelle forhold ved recessiv kjønnsbundet arv: Det er typisk at mødre kan gi egenskapen til sine sønner. Moren er da bærer, og gir det aktuelle genet på X til sin sønn. Egenskapene er mye mer hyppig hos menn enn kvinner, fordi menn ikke kan ha genet "skjult". For at en kvinne skal få en slik egenskap må hun ha genet på begge sine X. Da må moren være bærer og faren ha egenskapen selv.

1.4.5 Andre nedarvingsmønstre

Fra NTNU

Det kan tenkes at

to genpar (Aa og Bb) virker inn på én egenskap . (NDSU)

Dette kan skje på flere mulige måter. Vi tenker oss en dihybrid krysning av to heterozygote foreldre, der vi får genotypene som vist i tabell 1.3.

Samvirkende gener

vil si at flere gener virker inn på én egenskap. Dette fenomenet kalles epistase (WIKI). Vi kan f.eks. tenke oss at de dominante allelene A og B koder for enzymer A og B som begge er nødvendig for å lage ett produkt P fra et forstadium F, via et mellomprodukt M (se minifigur). Cellen må da ha både A og B for å få egenskapen. Vi får spaltningsforholdet 9:7. Dette kan leses av krysningsskjemaet over (de 9 er blå i tabell 1.3).

Ensvirkende gener

vil si at flere gener har samme virkning. Det er da nok at ett av genene "virker", at vi har A eller B. Vi kan tenke oss at allelene A og B koder for enzymene A og B som gir alternative måter å lage et produkt P på (se minifigur). Det er da tilstrekkelig å ha enten stor A eller stor B. Vi får spaltningsforholdet 15:1, bare aa bbvil mangle denne egenskapen (rød i tabell 1.3).

Pleiotropi (WIKI) og letale gener

Mus har normalt brun farge, allelet som styrer dette kan kalles g. Det finnes et dominant allel (G) som gir gul farge. En heterozygot mus (Gg) vil ha gul farge. Hvis vi krysser to heterozygote gule mus, skulle vi forvente et normalt monohybrid spaltningstall 3:1 (GG, Gg og Gg blir gule, bare gg blir brun). Vi får imidlertid forholdet 2:1. Dette skyldes at allelet G i dobbel dose (GG) er dødelig, letalt. Slike mus vil ikke vokse opp. Derved vil vi få forholdet 2:1. Når ett genpar påvirker to ulike egenskaper kalles det pleiotropi.

Kvantitativ arv (TAMU) Vi kan også tenke oss at to eller flere genpar (TAMU) virker inn på samme egenskap på en rent kvantitativ måte. Allelene A og B gir denne egenskapen, mens a og b ikke gjør det. De individene som har flest av allelene Aeller B får egenskapen i størst grad. Et individ kan da få denne egenskapen gradert fra 0 til 4. Grad 0 får vi hos individer som er aa bb, grad 4 hos individer som er (AA BB). Fordelingen kan man lese ut fra tabell 1.3, og den blir slik:

Grad 0 1 2 3 4

Antall 1 4 6 4 1

Hvis der er tre genpar som bestemmer én kvantitativ egenskap på denne måten, vil vi få en gradert skala fra 0 (aa bb cc) til 6 (AA BB CC). Fordelingen av fenotyper langs denne skalaen er vist i fig. 1.12 (for krysningen (Aa Bb Cc) × (Aa Bb Cc). Eksempelvis så vil genotypen Aa BB cc gi grad 3 på skalaen.

Multifaktoriell arv

Ofte kan mange genpar virke inn på én egenskap på en mer komplisert måte. Eksempel på dette kan være kroppshøyde, hudfarge og mange sammensatte sykdommer . Vi sier at vi har multifaktoriell arv eller polygen arv. Ved slik arv er ofte også miljøet av stor betydning. Vi bruker også begrepet ikke-Mendelskarv når arven ikke følger det enkle mønsteret som er beskrevet i krysningsskjemaene over.

Penetrans (WIKI) ( gjennomtrengning)

Selv om et gen er til stede, er det ikke sikkert at egenskapen, fenotypen, viser seg, slik den normalt skulle gjøre. Dette fenomenet kan variere fra individ til individ. Et gens penetrans kan bli påvirket av andre gener og av miljøforhold. Dette fenomenet understreker at det ikke er noen enkel sammenheng mellom de genene vi har og hvordan vi blir.

1.6 Stamtavler

For å illustrere nedarvingen innen en bestemt slekt kan det være hensiktsmessig å tegne en stamtavle / familietre (pedigree).(WIKI) Fig. 1.13 viser et eksempel. Her ser vi tre generasjoner av en familie.

 Symboler i stamtavler brukes slik (ndsu) (S er aktuell egenskap).

Vi ser i figuren (1.13) at det øverste paret (generasjon 1) begge er friske. De har fire barn, en gutt og tre jenter. Av disse er det en jente og en gutt som har arvet sykdommen S. Kvinnen med S får barn med en mann uten S. Ingen av deres tre barn får S. En av kvinnene uten S får barn med en mann uten S. De får to barn, ett med S.

Hvordan kan vi forklare dette arvemønsteret? (CLINTONCC) Hva slags genotyper har disse personene?

Vi ser at foreldre uten S får barn med S. Dette tyder på recessiv arv. Videre er S ikke knyttet spesielt til menn, vi har da ikke kjønnsbundet arv.

Vi kan kalle allelet som gir S for a, det normale "friske" allelet er A. Vi vet da at alle med S har genotypeaa. De som er friske er enten AA eller Aa. Foreldre uten S, som får barn med S må begge være heterozygote (bærere). I generasjon 2 har vi en mor med S (aa) som får tre barn uten S. Det tyder på at hennes mann er homozygot AA, men det er ikke sikkert. Alle barna må være bærere (Aa). Når vi skal "tolke" et stamtre for å finne ut hva slags arvegang vi har ved en arvelig sykdom, kan vi merke oss følgende typiske trekk:

Autosomal recessiv arv: Foreldre som ikke er rammet får barn som er rammet. Hvis nesten bare gutter blir rammet, er det kjønnsbundet arv, ellers autosomal.

Autosomal dominant arv: Barn som blir rammet har alltid en foreldre som er rammet.

Kjønnsbundet recessiv arv: Mødre som ikke er rammet får sønner som er rammet (se også 1.4.4).

I kap. 20 finner du mange eksempler på ulike typer arvegang hos mennesker.

1.4.7 Arv og miljø(WIKI)

Fra Helsenytt Folkehelseinstituttet

De fleste observerbare egenskaper blir ikke bestemt av genene alene, men av et samspill mellom arv og miljø. I noen tilfeller kan vi nok snakke om rent arvelige egenskaper, f.eks. blodtype, evnen til å lage normalt hemoglobin, og noen andre rent biokjemisk definerte egenskaper. Vi kan ellers si at genene girmuligheter og begrensninger for egenskaper, miljøet bestemmer hvilke egenskaper som får utvikle seg.

Det har alltid vært faglig strid om hvor stor rolle genene spiller, og hvordan miljøet virker inn. Dette gjelder i særlig grad for sammensatte egenskaper (HGP) som intelligens (WIKI) , musikalitet, aggresjon osv. I de siste årene har man kommet langt når det gjelder å kartlegge gener som har betydning for å utvikle kompliserte sykdommer som kreft og hjertekarsykdommer. Men dette betyr ikke at miljøet har mindre betydning. Genene kan gi en arvelig predisposisjon, mens miljøet kan avgjøre hva som skjer. Det ville være beklagelig hvis vår økte kunnskap om genetikk gir folk flest inntrykk av at genene bestemmer hele vår menneskelige skjebne. Denne form for genetisk determinisme er det ikke vitenskapelig grunnlag for.

1.5 GENERS AVSTAND

Kimball

1.5.1 Koblede gener (WIKI) 

Ved meiosen foregår det overkrysning mellom homologe kromosomer, og vi får rekombinasjon av gener (se fig. 1.7). Gener som ligger på samme kromosom henger fysisk sett sammen, og vi sier at de er koblet (eng : linked). Alle genene langs ett kromosom utgjør en koblingsgruppe. To koblede gener kan skilles fra hverandre ved overkrysning, og dette kan utnyttes til å finne avstanden mellom dem. Det var den amerikanske genetikeren Thomas Hunt Morgan (WIKI) som først publiserte slike resultater, og han brukte bananfluer (WIKI) i sine forsøk. Om bananfluen, se også HER (ceolas)

Som eksempel kan vi ta for oss to egenskaper hos bananfluer som bestemmes av hvert sitt genpar:

Lange / korte vinger (A / a)

Grå / svart kropp (B / b)

Den førstnevnte fenotypen (lang, grå) er villtype og allelene for dette er dominante. Den andre fenotypen (kort, svart) er en mutant, og allelene er recessive.

1.5.2 Prøvekrysning (NDSU)

Aa Bb * aa bb

Vi krysser en flue som er dobbel heterozygot (Aa Bb) med en som er dobbel homozygot mutant (aa bb). Dette kalles en prøvekrysning (test cross). Det tilsvarer også en krysning mellom et individ fra F1-generasjonene med et individ fra P-generasjonen, også kalt en tilbakekrysning. Vår prøvekrysning er altså:

Lange vinger, grå kropp Aa Bb

´ Korte vinger, svart kropp aa bb

Hvis disse genene ikke er koblet, vil resultatet bli som vist i fig 1.14. Vi får da forholdet 1:1:1:1 av de fire mulige fenotypekombinasjonene.

Hvis genene er koblet (A med B og a med b) og det ikke skjer noen overkrysning, vil vi bare få de to foreldrenes fenotyper, i forholdet 1:1. Se fig 1.15.

% overkrysning

Hvis allelene AB og ab er koblet, og det skjer en overkrysning hos den av foreldrene som er Aa Bb, kan vi få kjønnsceller med en ny kombinasjon av alleler, nemlig Ab og aB. Se fig 1.16. Disse kjønnscellene vil også gi nye kombinasjoner av fenotyper, siden det andre individet i krysningen er dobbel recessiv aa bb. De nye kombinasjonene av fenotyper (lang, svart og kort, grå) kaller vi da rekombinanter. Vi tenker oss at det skjer en overkrysning mellom A/a og B/b i 18 % av meiosene. Da vil 18 % av kjønnscellene være rekombinanter, 9 % Ab og 9 % aB, og vi får tilsvarende tall når det gjelder de rekombinante fenotypene.

Rekombinasjon ved meiosen skjer på vilkårlige steder langs kromosomet (kromatidene). For at det skal skje en rekombinasjon av genene A/a og B/b må overkrysningen skje mellom disse. En overkrysning nedenfor B vil ikke gi noen rekombinasjon av A og b. Jo større fysisk avstand det er mellom A og B, jo større sjanse er det for at det skal skje en rekombinasjon mellom dem. Derved er rekombinasjonsfrekvensen et mål for avstanden.

Genetisk avstand

For å finne en ukjent avstand mellom to gener A og B, kan vi gjennomføre en prøvekrysning, slik vi nettopp har gjennomgått. Vi teller antall individer som er rekombinanter, og angir dette som % av antall individer totalt. Vi finner 18 %. Denne %-verdien er avstanden. En avstand som tilsvarer 1 % rekombinasjon kalles 1map unit (mu) eller 1 centiMorgan (cM) (WIKI) . I det aktuelle eksempelet er da avstanden A-B 18 cM. Denne avstanden kalles genetisk avstand. Den genetiske avstanden er ikke 100 % proporsjonal med fysisk avstand (antall basepar). Dette kommer av at sannsynligheten for overkrysning ikke er helt lik alle steder langs kromosomene. Se kap. 19.2 .4 og fig. 19.1.

Vi kan finne avstanden (CA) mellom en rekke genpar på ett kromosom på denne måten. Vi kan derved konstruere et genkart, som viser innbyrdes avstand mellom genene. Et kart som er laget på denne måten kalles da et koblingskart (linkage map).

1.5.3 Genkart, 3 gener

Vi har funnet at avstanden mellom A og B er 18 %. Vi vil finne plasseringen til et tredje gen D, som ligger på samme kromosom (genet D bestemmer en observerbar fenotype, f.eks. øyenfarge. Vi gjennomfører da følgende prøvekrysning:

Aa Dd ´ aa dd. Disse har fenotyper som vi kan kalleAD og ad. Vi antar at genene AD er koblet og ad er koblet i utgangspunktet.

Vi teller antall rekombinanter (Ad og aD) og finner f.eks. 8 %. Det betyr at avstanden A-D er 8 % (cM). Hvor på kromosomet ligger da D ? Vi har funnet:

A-B: 18 cM A-D: 8 cM

Hvis D ligger mellom A og B (ADB), må avstanden B-D være 10 cM (18 - 8) (se fig 1.17 A). Hvis D ikke ligger mellom A og B (DAB) må avstanden B-D være 26 cM (18 + 8) (fig. 1.17 B). Dette finner vi ut ved å gjøre prøvekrysningen Bb Dd ´ bb dd. La oss si at vi finner 26 % rekombinanter, avstanden B-D er 26 cM. Den riktige rekkefølgen må da være DAB.

Adderbarhet

I dette talleksempelet har vi antatt at genetisk avstand (cM) er adderbar. For genene DAB ville vi da ha:

DA (18 %) + AB (8 %) DB (26 %)

Dette stemmer ikke helt. Det kan nemlig skje 2 overkrysninger samtidig i én meiose, både mellom DA ogAB. Da vil rekombinasjonene Bd og bD bli opphevet, slik at B og D er på samme kromosom igjen. Vi vil altså registrere færre rekombinanter enn antall overkrysninger skulle tilsi. Eller sagt på en annen måte: hvis vi måler 26 % rekombinanter, så er antall overkrysninger mer enn 26 %, og avstanden derved litt større enn 26 cM.

Antall doble overkrysninger kan anslås ved sannsynlighetsberegning. Sannsynligheten for overkrysning mellom D og A er 0,08 (8 %) og mellom A og B er den 0,18 (18 %). Sannsynligheten for at begge skjer samtidig er da (0,08 × 0,18) = 0,0144, dvs. 1,44 %.

1.5.4 3-punkts prøvekrysning (Kimball)

Hvis vi ønsker å finne rekkefølgen av tre koblede gener (A, B og C) kan det være mer hensiktsmessig å gjøre en prøvekrysning som tar med alle tre samtidig (NDSU) :

Flue 1 (Aa Bb Cc) ´ Flue 2 (aa bb cc)

Allelene a, b, c er recessive, slik at flue 1 har fenotypen ABC, mens flue 2 er abc. Vi antar at den heterozygote (flue 1) har koblet ABC på ett kromosom og abc på ett (dette vet vi hvis den stammer fra homozygote foreldre). La oss også anta at genene sitter i rekkefølge A-B-C, med avstand AB = 10 cM og BC= 5 cM (se fig 1.18).

Ved meiosen, når kjønnscellene dannes, vil vi da ha fire muligheter når det gjelder flue 1 (Aa Bb Cc).

OK står for overkrysning. Frekvensen av dobbel OK blir da 0,10 × 0,05 = 0,005 (0,5 %).

1 OK mellom A og B gir Abc og aBC 10 %

2 OK mellom B og C gir ABc og abC 5 %

3 Dobbel OK gir AbC og aBc 0,5 %

4 Ingen OK ABC og abc 85 %

Av de 10 % OK mellom A og B (gruppe 1), vil noen få også ha overkrysning mellom B og C (gruppe 3), slik at antallet i gruppe 1 egentlig blir litt mindre enn 10 %. På samme måte blir antallet i gruppe 2 litt mindre enn 5 %.

Ved befruktning vil disse kjønnscellene avgjøre fenotypen, siden flue 2 bare har recessive alleler (aa bb cc).

Å tolke et resultat

La oss ta med et eksempel motsatt vei, der vi starter med et tenkt resultat, og skal finne rekkefølge og avstand. Vi ser på denne 3-punktskrysningen

Dd Ee Ff × dd ee ff

Vi lager 699 fluer, og får dette resultatet:

1 DEF 266 def 275 sum 541

2 DEf 54 deF 48 sum 102

3 Def 4 dEF 4 sum 8

4 DeF 22 DeF 26 sum 48

DEF og def (gruppe 1) representerer ikke-rekombinante. Vi ser videre at vi har svært få av rekombinantene Def og dEF (gruppe 3). Dette må være resultatet av en dobbel overkrysning, slik at genet D må ligge i midten. Rekkefølgen er altså E-D-F.

E-D. Vi har hatt en rekombinasjon mellom E og D i gruppe 4 (enkel) + gruppe 3 (dobbel), dvs. 48 + 8 = 54. Dette utgjør 54/699 = 0,077 = 7,7 %.

D-F. Antall rekombinasjoner mellom D og F er 102 + 8 = 110, dvs. 110/699 = 0,157 = 15,7 %.

Vi har da funnet rekkefølgen EDF og avstandene ED (7,7 cM) og DF (15,7 cM). Det betyr at avstanden EF er 7,7 + 15,7 = 23,4 cM. I vår beregninmg har vi tatt med de doble overkrysningene, og da kan vi addere avstander.

Mennesker

I Kap 1.8 viser vi hvordan koblingsanalyse kan brukes til å kartlegge humane gener. Kap 18.8 tar opp hvordan man kan bruke koblede markører i forbindelse med gentesting, og hvordan tett koblede gener utgjør enhaplotype med koblingsulikevekt. I 19.2.4 omtales sammenhengen mellom genetisk avstand i cM og fysisk avstand i Mb.

1.6 POPULASJONSGENETIKK

Fra NTNU                                   Kimball 

ALFRED - ALlele FREquencies Database

Individ/populasjon

Vi har hittil sett på krysninger mellom to konkrete individer, Aa × Aa osv. Vi skal nå betrakte en hel gruppe av individer under ett, og regne ut hva vi kan forvente av ulike genotyper og fenotyper i gruppen. Vi bruker begrepet populasjon (WIKI), som betyr en stor gruppe av individer av samme art, som kan forplantes med hverandre. Vi kan ha flere populasjoner av én art, og disse kan være mer eller mindre klart adskilt fra hverandre. Reinsdyr i Norge utgjør flere nokså klart adskilte populasjoner, f.eks. reinsdyra på Hardangervidda, de på Dovrefjell, på Svalbard mfl. Når det gjelder mennesker, så er det vanskelig å skille ulike populasjoner klart fra hverandre. Økt geografisk mobilitet og innvandring har gjort at ulike folkegrupper blandes mer og mer. Det er likevel vanlig å operere med noen få hovedgrupper av mennesker, nemlig de europeiske (kaukasiske), afrikanske og asiatiske (orientalske) (se kap. 20.1).

Frekvensen av et gen (allel) (WIKI)

Vi ser på blodtypeallelene A, B og O. Hvert individ har ett genpar, to alleler. Vi tenker oss at vi har 100000 mennesker. Det betyr at vi har 200000 ABO-alleler totalt i populasjonen. Hvis 52000 av disse allelene er A,sier vi at frekvensen (hyppigheten) av allelet A, f(A), er 0,26 (52000/200000), dvs. 26 %. I Vest-Europa (kaukasiske) er hyppigheten av blodtypeallelene slik (ca.):

f(A) = 0,26 f(B) = 0,06 f(O) = 0,68 eller

A = 26 % B = 6 % O = 68 %

Summen av disse skal bli 1,0 (100 %). I andre befolkningsgrupper er frekvensen av disse allelene en annen. Se tabell 1.4. Husk at hyppigheten av selve blodtypene (fenotypen) er noe annet (se under).

Frekvensen av en genotype og fenotype

La oss holde oss til blodtyper (ABO). Vi tenker oss et tilfeldig valgt barn som blir født. Vi "trekker" da to alleler fra befolkningens samling av alleler, ett fra en tilfeldig mor og ett fra en far. Sannsynligheten for at vi skal trekke allelet O fra mor er 0,68 fordi 68 % av befolkningens alleler er O. Sannsynligheten for at vi skal trekke O fra far er også 0,68. Sannsynligheten for at et tilfeldig barn får allelet O fra begge foreldrene (OO) er da 0,68 × 0,68 = 0,46 (46 %). 46 % av barna som blir født har da blodtype O.

Generelt kan vi tenke oss et gen der det er to mulige alleler, A og a. I en populasjon er frekvensene av disse:

f(A) = p og f(a) = q. Sannsynligheten for de ulike genotypene (Aa, Aa og aa) vil da bli:

(A a) AA Aa aa

(p + q)² = p² + 2pq + q²

Begrunnelsen for dette er antydet i eksemplet over. En fødsel i populasjonen er som et lotteri. Det trekkes to tilfeldige alleler fra populasjonens samling av alleler. Sannsynligheten for å trekke A er p, og sannsynligheten for å trekke a er q. Sannsynligheten for å trekke A to ganger er da p × p = p² og for å trekke a to ganger er q². Sannsynligheten for å trekke Aa er 2pq. Grunnen til dette er at vi kan få dette resultatet på to ulike måter: enten A fra mor og a fra far, eller a fra mor og A fra far. Dette gir oss pq + qp = 2pq.

Hardy-Weinberg (WIKI)

Vi kan altså beregne frekvensen av genotyper og fenotyper i neste generasjon hvis vi kjenner allelefrekvensene i populasjonen. Denne sammenhengen kalles Hardy-Weinbergs lov eller prinsipp. Hvis dette gjelder uendret fra generasjon til generasjon sier vi at populasjonen er i genetisk balanse (Kimball) . Forutsetningen for dette er (Palomar) :

1 Allelene må ikke forandres ved mutasjoner.

2 Det må ikke skje innvandring eller utvandring.

3 Individene må finne sine partnere (pares) tilfeldig (i forhold de aktuelle gener).

4 Populasjonen må være stor (ellers vil tilfeldigheter kunne slå ut).

5 Det må ikke være noen seleksjon av bestemte gener.

Disse forutsetningen gjelder selvsagt aldri fullt ut. Hvis de gjorde det, ville populasjonen aldri forandre seg genetisk, og ingen biologisk utvikling ville skje. Vi kommer tilbake til dette i kap. 13.5 om evolusjon. Da er poenget at ett eller flere av punktene over ikke er oppfylt. Men over kort tid kan disse 5 punktene gjelde, i hvert fall i tilnærmet grad. Det viser seg at likningen over har bra gyldighet og er nyttig å bruke. Vi skal bruke den i noen enkle regneeksempler, og holder oss til arv hos mennesker:

Oppgaver (k.state):

Eksempel 1 (fra genfrekvens til fenotype)

En sykdom skyldes et allel a som er recessivt for det normale A. Hvis allelet a har en hyppighet på 4 %, hvor mange har sykdommen (aa) og hvor mange er bærere av a, uten å være syke?

Løsning

p = f(a) = 0,04 q = f(A) = 1,0 - 0,04 = 0,96

(p+q)² = p² + 2 pq + q²

= (0,04)² + 2´0,04´0,96 + 0,96²

= 0,0016 + 0,0768 + 0,9216

aa Aa AA

Vi ser at hyppigheten av syke personer (aa) er 0,0016, dvs. 0,16 %. Hyppigheten av bærere (Aa) vil være 0,0768, dvs. nesten 8 %. Av en befolkning på 4 mill. vil det da være 6400 personer med sykdommen, og 320 000 bærere.

Eksempel 2 (fra fenotype til genfrekvens)

Cystisk fibrose (CF) er kanskje den vanligste av de alvorlige recessivt arvelige sykdommene. Den skyldes et recessivt allel cf (det normale allelet er CF). I Vest-Europa (inkl. Norge) fødes ca. 1 av 2500 barn med CF. Hvor mange bærere er det i Norge?

Løsning.

Vi innfører: f(cf) = p og f(CF) = q

Hyppigheten av syke personer (cf cf) er p²

p² = 1/2500 = 0,0004 p = 0,02

q = 1,0 - p = 1,0 - 0,02 = 0,98 1

Bærere er (CF cf), frekvensen av disse er 2pq:

2pq = 2 × 0,02 × 1 = 0,04 (4 %)

4 % av befolkningen er bærere, dvs. 1 av omkring 25 personer. Av 4,5 mill. innbyggere er dette ca. 180000 personer.

Eksempel 3 (tre alleler, ABO)

La oss beregne hyppigheten av alle fire blodtyper (ABO) når vi kjenner hyppigheten av de tre allelene:

A: p = 0,26 B: q = 0,06 O: r = 0,68.

Resultatet er altså:

42 % A - 9 % B - 3 % AB - 46 % O

Eksempel 4 (kjønnsbundet arv)

Hvis 7 % av mennene er fargeblinde, hvor mange kvinner er fargeblinde og hvor mange er bærere?

Løsning

Alleler: f - fargeblind, F - normal, frekvenser p, q.

Fargeblinde menn har genotype X(f) y. Vi skal bare "trekke" én X. Frekvensen av fargeblinde blir da lik genfrekvensen av X(f), altså p = 0,07. Da er q = 0,93.

For fargeblinde kvinner har vi:

Genotype X(f) X(f).

p² = 0,07² = 0,0049 = 0,5 %

Kvinner som er bærere

Genotype X(F) X(f)

2pq= 2 ´0,07´0,093 = 0,13 = 13 %

1.7 KJI-KVADRAT-TESTEN (c²) (NDSU) Fra NTNU

Vi tenker oss en monohybrid krysning mellom heterozygote individer (Aa × Aa). Hvis nedarvingen er recessiv, forventer vi forholdet 3:1 mellom de ulike fenotypene. Hvis vi får 80 avkom, skulle resultatet ideelt sett være 60:20. I praksis vil tilfeldighetene gjøre at antallet ikke blir akkurat slik. Vi tenker oss et praktisk forsøk, der resultatet er 54:26. Kan dette resultatet være i samsvar med hypotesen om at spaltningsforholdet er 3:1? For å avgjøre dette bruker vi en statistisk test som kalles kji-kvadrat-test - kji er den greske bokstaven c:

(O - E)² O = observert antall

c² = S ------

E E = Forventet antall

I vårt eksempel får vi da:

(54 - 60)² (26 - 20)² (-6)² 6²

c² = -------- + -------- = --- + ---

60 20 60 20

= 0,60 + 1,80 = 2,40

Vår hypotese ("nullhypotese") er at forholdet er 3:1. c²-testen avgjør om denne hypotesen kan forkastesmed en viss sikkerhet. Vi må sammenlikne vår verdi av c² med en tabell over c²-verdier (tabell 1.5). Vi må da først velge "antall frihetsgrader",dette er antall kategorier (fenotyper) minus 1 (n - 1), altså 2 - 1 = 1. Vi må deretter velge hvilket sikkerhetsnivå vi vil teste hypotesen på. Det vanligste er bruke 95 % sikkerhet, dvs. 0,05-nivå (99 % sikkerhet er 0,01-nivå).

Vi ser i kolonnen under 0,05 (= 5 %), og finner verdien 3,84. Hvis vår c²-verdi er større enn 3,84 så kan vi forkaste vår hypotese (3:1) med 95 % sikkerhet. Vår verdi er 2,40, altså kan vi ikke forkaste hypotesen. Konklusjonen er at vårt resultat kan være i samsvar med spaltningstallet 3:1.

Vi tar med ett eksempel til: Vi har en dihybrid krysning (se fig. 1.9), og får resultatet 34:20:17:9. Vår hypotese er at forholdet er 9:3:3:1. Kan denne hypotesen avvises? Forventet resultat etter hypotesen er 45:15:15:5. Våre avvik er da 34 - 45 = -11, 20 - 15 = 5, 17 - 15 = 2 og 9 - 5 = 4. Vi regner ut:

c² = (-11)² /45 + 5² /15 + 2²/15 + 4²/5 = 8,62.

Antall frihetsgrader er 4 - 1 = 3, tabellverdi under 0,05 er 7,82. Vår verdi er større enn dette, da kan hypotsesen avvises med 95 % sikkerhet. Disse resultatene er derved ikke i samsvar med at spaltningsforholdet er 9:3:3:1. Vi må da finne en annen forklaringsmodell på disse resultatene.

1.8 KOBLING OG LOD-SCORE (NDSU)

"Kurs" i koblingsanalyse (NDSU) 

Vi har en tilstand som er genetisk betinget, og vi ønsker å finne ut hvor det aktuelle genet er lokalisert. Vi kan da gjøre koblingsanalyser. Vi kan undersøke om tilstanden nedarves sammen andre kjente gentiske markører. Disse markørene kan være gener/alleler eller bestemte DNA-sekvenser som kan identifiseres med DNA-teknikker (SNP, STR m.m. - se kap. 20). La oss se på ett eksempel. Vi undersøker den meget sjeldne sykdommen N som nedarves dominant. Vår hypotese er at genet N ligger på samme kromosom som ABO-genet. ABO-genet brukes da som markør. Vi finner en familie der sykdommen N forekommer. Stamtreet til tre generasjoner av denne familien er vist i fig. 1.27. Blå individer har sykdommen N, hvite har den ikke. Vår hypotese er som nevnt at genet for N og genet for ABO er koblet. Vi må da se på genotypene til individene i stamtreet.

Når det gjelder ABO, så kjenner vi genotypen til alle individer i figuren. Generasjon I må ha genotypeneAO og BO, siden de har barn med blodtype O. I generasjon II og III må alle A-er og B-er være heterozygote.

Siden N nedarves dominant, vet vi at personer med sykdommen har genotype Nn, de uten har nn. Geneotype NN er høyst usannsynlig, siden dette er en meget sjelden tilstand. Vi kjenner derved genotypen til alle individene, både for ABO og N.

Sykdommen "stammer" fra far i generasjon I. Han har genotypen AO Nn, og vi antar altså at genene er koblet. Det er da en fordel å vite hvordan de er koblet hos ham. Er A koblet til N eller til n, altså:

A--N og O--n eller A---n og O---N ?

Vi ser at ingen av de fire individene i generasjon II som har fått sykdommen N har blodtype A. Vi kan da regne med at allelet N ikke er koblet til A. Vi lager da den hypotesen at koblingen hos far I er O-N og A--n.Hvis det skjer en overkrysning vil vi få koblingen A--N og O--n. Vi vet at mor I avgir enten B-n eller O-n. Ut fra dette kan vi se at 7 av 8 barn har mottatt kromosomene fra far uten overkrysning, bare ett med overkrysning (barn nr. 6, merket med *). Dette bekrefter vår teori om at N og ABO er koblet. La oss ta et par eksempler: Barn 1 må ha fått B-n fra mor, og O-N fra far. Barn 2 må ha fått O-n fra mor og O-N fra far. Barn 6 må ha fått O-n fra både far og mor, altså har det vært en overkrysning hos far.

I generasjon III må individ 2 være resultat av en overkrysning Han må ha arvet A-n fra mor og O-n fra far, dette representerer en overkrysning hos far.

Totalt i familien er det 13 barn, av disse er det 11 uten overkrysning og to med. Vi kan da foreløpig konkludere at genet for N er koblet til ABO-genet. Det skjer en overkrysning mellom ABO og N i to av 13 tilfeller, ca. 15 %. Vi kan antyde at avstanden mellom genene er ca. 15 cM.

LOD. For å analysere slike data, bruker man " LOD-score (NDSU) ". Man lager da en hypotese, f.eks at genene er koblet med 15 cM avstand. Man beregner sannsynligheten for det aktuelle resultatet ut fra den hypotesen, og sannsynligheten for dette resultatet hvis genene ikke er koblet. Deretter beregner man forholdet mellom disse sannsynlighetene, i vårt eksempel får vi da ca. 30 (se under). Resultatene i stamtreet er altså 30 ganger mer sannsynlig med kobling enn det er uten, vi har "odds" på 30:1. Tar vi logaritmen av dette får vi LOD (logaritmen av odds), altså

LOD = log 30 = 1,5.

La oss kort vise beregningen av sannsynligheter, av "odds" (OD) og LOD. Vår hypotese er altså 15 % overkrysning, 85 % ikke overkrysning. Ved hver fødsel er sannsynligheten for overkrysning (OK) 0,15 og for ikke OK 0,85. Hvis det ikke er kobling mellom genene, vil allelene fordeles uavhengig, og sjansen er 0,5 for hver av kombinasjonene. Sannsynligheten for vårt spesielle resultat (2 OK, 11 ikke OK) er:

Hvis koblet, P(K) = (0,85)¹¹ × (0,15)²

Hvis ikke koblet P(IK) = (0,5)¹³

OD = P(K)/P(IK) = (0,85)¹¹ × (0,15)²/(0,5)¹³ = 30,8.

LOD = log 30 = 1,49

For å godta en hypotese med stor nok sikkerhet bør LOD-score være større enn 3. Det betyr at OD = 1000, altså et resultatet som er 1000 ganger mer sannsynlig med kobling (vår hypotese) enn ikke-kobling. I vårt eksempel kan vi altså ikke være helt sikre på at hypotesen er riktig.

Hvis vi antar at genene er koblet med en avstand på 0,20, vil vi få følgende resultat:

OD = (0,80)¹¹ × (0,20)²/(0,5)¹³ = 28. LOD = 1,45

Her får vi lavere LOD-score, hvilket betyr at dette er en dårligere hypotese. I slike analyser må vi velge en hypotese som gir høyest (maksimum) LOD-score.

For å gjøre en slik test må vi ha en familie som er "informativ". Det betyr at vi må kjenne genotyper til mange individer i flere generasjoner. I tillegg må vi ha heterozygote individer, slik at vi kan registrere om det har skjedd overkrysninger eller ikke.

2. DNA - RNA Til bokens kapitteloversikt

2.1 DNA OPPBYGNING (WIKI)

DNA står for Deoksyribo Nucleic Acid.

DNA er en polymer (WIKI) der monomeren, eller byggeenheten, er et nukleotid . DNA inneholder fosfat , som er en protolysert form av fosforsyre (WIKI) . Dette er bakgrunnen for navnet nucleic acid , nukleinsyre (WIKI).

2.1.1 DNA byggesteiner

Et nukleotid består av tre deler: a) et sukkermolekyl,

b) fosfat og c) en aromatisk base.

Sukker (WIKI)

DNA inneholder sukkeret 2'-deoksyribose (WIKI) , som er en aldopentose (se fig. 2.2). Som navnet sier, er dette ribose der -OH-gruppen på karbonatom nr. 2 er erstattet med bare -H. Legg merke til at nummereringen av C-atomene er 1'- 2'- 3'- 4'- 5' , som uttales "1-merket" osv. (fig. 2.2). I DNA er -OH-gruppen på C nr. 3' og 5' bundet til fosfat, mens C nr. 1' er bundet til en av de 4 aromatiske basene.

Fosfat (WIKI)

Fosfat (PO₄³) er resultatet av fullstendig dissosiasjon av fosforsyre (WIKI) , H₃PO₄. I DNA er to av O-atomene i fosfat bundet til hver sin deoksyribose (fig. 2.6).

De 4 basene

DNA inneholder 4 heterosykliske aromatiske baser:

2 puriner A = adenin og G = guanin (WIKI)

2 pyrimidiner C = cytosin og T = tymin (WIKI)

Vi sier at disse er heterosykliske (ulike atomer, N og C i ringen), aromatiske (WIKI) (annenhver enkel- og dobbelbinding) baser (-N= og -NH₂ har basisk karakter). Purinbasene er store (to ringer) og pyrmidinbasene er små (huskeregel: stort navn - lite molekyl og lite navn - stort molekyl). Disse ringene nummereres slik som vist i fig. 2.4 (1-2-3 osv, ikke 1'-2'-3').

2.1.2 Nukleosider og nukleotider (WIKI)

Et nukleosid er en base + sukker. Dette får vi når én av de 4 basene (A, C, G, T) blir koblet sammen med 2'-deoksyribose. Da vil et N-atom fra basen bli bundet til C-1' i sukkeret, og vi får en N-glykosid-binding (fig. 2.5). Vi kan da få 4 ulike nukleosider, nemlig:

Deoksy- adenosin, -guanosin, -cytidin og -tymidin. Legg merke til at navnene på nukleosidene er litt forskjellig fra de tilsvarende basene.

Et nukleotid er en base + sukker + fosfat. Dette får vi når vi kobler en eller flere fosfatgrupper til et nukleosid (fig. 2.5). Vi får da :

Deoksy-

adenosin-fosfat = dAMP = adenylat

guanosin-fosfat = dGMP = guanylat

cytidin-fosfat = dCMP = cytidylat

tymidin-fosfat = dTMP = tymidylat

I navnene over kan vi evt. presisere monofosfat. Hvis vi har to fosfatgrupper, får vi (deoksy-) adenosin- difosfat,dADP, osv. Med tre fosfatgrupper får vi (deoksy-) adenosin- trifosfat, dATP, osv. Den fosfatgruppen som er nærmest sukkeret kalles a-fosfat, deretter b- og g-fosfat. Navnet adenylat osv. kommer av at dette er en protolysert form av adenylic acid, der fosfatgruppen ikke er protolysert.

Hvis vi skal være litt nøye, er navnet på dATP: 2'-deoksyadenosin-5'-trifosfat.

2.1.3 Polynukleotid (WIKI)

Den repeterte enhet i DNA (monomeren) er som sagt et nukleotid, og DNA er derved et polynukleotid. Når DNA lages (syntetiseres) brukes deoksynukleosidtrifosfater (dATP osv.) som byggemateriale. Det er da -fosfat som beholdes, mens - og g-fosfat spaltes av som pyrofosfat (2 fosfat sammen) (se fig. 7.4).

Bindinger

Når C-1' i deoksyribose binder N-atomet i en av basene, får vi som nevnt en N- glykosidbinding (WIKI) . I et nukleotid er fosfat bundet sammen med 5'-OH-gruppen i sukkeret. Dette er en binding mellom en syre (fosforsyre) og en alkohol (-OH i sukkeret). Bindingen er da en esterbinding, en fosfoesterbinding. Når to nukleotider bindes sammen, er det -fosfat fra ett nukleotid som bindes til 3'-OH-gruppen i neste nukleotid. Dette er også en fosfoesterbinding. To nukleotider er derved bundet sammen av to fosfoesterbindinger, vi sier at vi har fosfodiesterbinding, eller 3'-5'-fosfodiesterbinding (WIKI).

Retning

Vi ser av fig. 2.6 at et polynukleotid har retning. I den ene enden har vi sukker med en fri 3'-OH, i den andre enden har vi sukker med en fri 5'-fosfat (5'-P). Positiv retning er fra 5'-P-enden mot 3'-OH-enden, dvs. 5'®3'. Når vi sier at rekkefølgen på basene er ACTG, menes det at vi starter med å lese fra den enden der sukkeret har en fri 5'-ende, dvs. 5'-ACTG-3'.

2.2 DNA STRUKTUR (WIKI)

DNA har flere mulige former, men den viktigste er den såkalte Watson-Crick DNA, eller B-DNA.

Denne strukturen ble presentert av James D. Watson og Francis H. C. Crick i tidsskriftet Nature 25. april 1953, i en beskjeden ensiders artikkel.

To polynukleotidkjeder bindes sammen ved hjelp av hydrogenbindinger mellom 2 og 2 baser (Kimball). Vi sier gjerne at vi har dobbelttrådet DNA, som består av to enkeltttråder. Vi bruker ofte betegnelsen ssDNA (singlestranded) om enkelttrådet, og dsDNA (doublestranded) om dobbelttrådet DNA.

AT og GC

Basene A og T danner 2 H-bindinger (WIKI) med hverandre, mens G og C danner 3 H-bindinger med hverandre. Et GC-par er derved sterkere bundet sammen enn et AT-par. Fig. 2.4 viser hvor H-bindingene mellom disse basene (WIKI) oppstår.

Komplementære (WIKI)

Legg merke til at hvert basepar består av en purinbase (A eller G) og en pyrimidinbase (T eller C). Dette betyr at størrelsen på hvert av de to parene AT og GC er omtrent like. Pga. H-bindingsevne og størrelse kan A bare binde seg til T, G bare til C osv. Vi sier at A og T er komplementære baser, det samme er G og C. De to enkelttrådene i DNA er bundet sammen bare av GC-par og AT-par. Vi sier at de to trådene er komplementære. En konsekvens av denne baseparingen er at DNA alltid vil inneholde like mye A som T, og like mye G som C. Derved har vi også (A+G) = (T+C), dvs. like mye puriner som pyrimidiner. Dette forholdet kalles Chargaffs regel (WIKI) . Chargaff påviste denne sammenhengen før man kjente strukturen av DNA. Vi bør ellers merke oss at vi ikke kan si at (A+T) = (G+C). Dette forholdet kan variere noe fra en organisme til en annen , og fra en kromosomdel til en annen. Vi kan ha høyt eller lavt GC-innhold.

Motsatt retning (WIKI)

De to trådene i DNA-molekylet har motsatt retning, slik figur 2.6 viser. Vi sier at trådene er antiparallelle. Hvis den ene DNA-tråd har baserekkefølge 5'-AACTGACC-3', så har den komplementære tråden rekkefølge: 5'-GGTCAGTT-3', slik:

® 5'-AACTGACC-3' ®

¬ 3'-TTGACTGG-5' ¬

Et basepar er en plan aromatisk struktur, og baseparene inne i dobbeltspiralen ligger tett stablet, nesten som pannekaker. De to basene i ett par kan imidlertid være noe vridd noe i forhold til hverandre, slik at "pannekaken" ikke er helt flat. DNA-molekylets indre er derved en ganske tett og kompakt struktur.

DNA-spiralen dreier mot høyre (med klokka) når vi beveger oss langs en tråd, slik om gjengene i en vanlig skrue. En full omdreining (360) på spiralen har en lengde på 34 Å (= 3,4 nm), og utgjør 10 basepar. Hvert basepar utgjør da en lengde på 3,4 Å (0,34 nm).

Overflaten

Kjeden av sukker og fosfat vender ut mot dobbeltspiralens utside. Siden fosfat er negativt ladd, vil dette gi DNA-molekylet en jevn negativ ladning. Kjeden av sukker og fosfat kalles på engelsk DNA-molekylets ryggrad (backbone). De to DNA-trådene tvinner seg rundt hverandre i en dobbeltspiral (double helix), med ryggraden ut, og det blir da groper langs overflaten mellom ryggradene. Vi får en stor grop ( major groove (WIKI) ) og en liten grop (minor groove). Baseparene er gjemt inne i dobbeltspiralen, men de er til en viss grad tilgjengelig fra utsiden i major groove. De kjemiske gruppene som er øverst i hver base i fig 1.4 er tilgjengelig for molekyler som skal binde DNA.

Størrelse

Mennesket har 23 par kromosomer. Det største av disse, kromosom 1, inneholder ett DNA-molekyl på ca. 260000000 basepar = 260 mill bp (se fig. 8.2). Antallet basepar i hele det humane genom (23 kromosomer) er ca. 3 milliarder, dvs:

3×10⁹ b = 3000 Mb = 3000000 kb = 3000000000. Dette gir en samlet lengde på ca. 1 m (0,34 nm pr. basepar, du kan regne ut selv!) Hvert basepar representerer en molmasse på ca. 600 g/mol. I biokjemien brukes ofte betegnelsen dalton (WIKI) (d) for molekylmasse/vekt. En molmasse på 600 g/mol tilsvarer 600 d = 0,6 kd. DNA-molekylet i kromosom 1 har derved en molekylmasse på:

0,6 kd/bp × 250 mill bp = 150000000 kd (se tabell 2.1).

Andre DNA-former

Vi har beskrevet den dominerende formen av DNA, som har fått betegnelsen B-DNA eller Watson-Crick DNA. Denne har en diameter på 2 nm, og hver omdreining utgjør 10 bp og 3,4 nm. DNA kan også ha andre konformasjoner. De to viktigste av disse har fått betegnelsen A-DNA og Z-DNA (WIKI) . De ytre dimensjonene for disse er oppgitt i tabell 2.2. Som man ser, er A-DNA tykkere, og Z-DNA tynnere enn vanlig DNA. Z-DNA er dessuten venstredreiende, i motsetning til A- og B-DNA. Det er påvist at Z-DNA kan forekomme in vivo (i levende celler), men det er foreløpig usikkert hvilken

betydning dette fenomenet evt. kan ha.

2.3 DENATURERING, HYBRIDISERING

Denaturering (WIKI) av DNA vil si at de to trådene skiller lag. Dette kan skje ved oppvarming. Dette kalles også smelting, og smeltepunktet av et DNA-molekyl (t_m)(WIKI) er definert som

den temperaturen da 50 % av DNA-trådene har skilt lag og blitt enkelttråder (ssDNA). Smeltepunktet til DNA er ca. 90 C. Det er viktig å merke seg at smeltepunktet er høyere jo større innhold det er av G + C. Dette skyldes at GC-parene er bundet sammen med tre H-bindinger, mens AT-parene bare har to.

Renaturering

vil si at to enkelttråder tilbakedanner dobbelttrådet DNA (ssDNA ® dsDNA). Dette kan skje hvis denaturert DNA avkjøles. For at renaturering skal skje riktig, bør avkjølingen skje langsomt. Da dannes H-bindingene langsomt, og derved mest mulig korrekt. Ved for rask avkjøling kan det tenkes at områder av to DNA-tråder som ikke er helt komplementære, likevel går sammen til en dobbelttråd. Ved en teknikk som kalles PCR (se 14.4) foretas denaturering av DNA ved ca. 95 C .

Hybridisering (WIKI)

Hvis man har to DNA -enkelttråder fra ulik kilde, som har komplementære områder med hverandre, vil disse også kunne gå sammen og danne dobbelttrådet DNA. Slik sammensmelting av to tråder kalles generelt hybridisering. De to trådene kan være fra ulike kilder, de kan ha ulik størrelse, og de behøver ikke være 100 % komplementære. De kan likevel hybridisere, slik at vi får områder med dobbelttrådet DNA. En RNA-tråd kan også hybridisere med en DNA-tråd. Vi kan altså ha DNA-DNA hybridisering, og vi kan ha RNA-DNA hybridisering. Hybridiseringsteknikker er en viktig del av mange analysemetoder.

I kap. 14.10 blir smeltepunkt for DNA og hybridiseringsteknikker nærmere omtalt.

Enzymer som kan skille de to trådene fra hverandre ved å bryte H-bindingene kalles helicaser (WIKI)

2.4 SIRKULÆRT DNA

DNA-molekylene i våre kromosomer er lineære, hver av de to de to DNA-trådene har en 5'-ende og en 3'-ende. Men det er mange organismer og celler som inneholder sirkulære DNA-molekyler, de har ingen ende. DNA i bakteriekromosomer er sirkulært. Vi finner små sirkulære DNA-molekyler som kalles plasmider (WIKI) i mange bakterier, planter og i gjærsopp. DNA i mitokondriene i eukaryote celler (bl.a. hos mennesker) er også sirkulært.

Vi kan tenke oss at vi får sirkulært DNA ved å koble de to endene av et lineært DNA sammen. Vi får da en "slapp" (relaxed) sirkel. Siden begge trådene er sammenhengende, kalles det noen ganger kovalent lukket sirkel, ccc (covalent closed circle).

Vi tenker oss så at vi tvinner DNA-spiralen to ganger fra hverandre før vi kobler sammen endene. Vi får da et DNA-molekyl med færre omdreininger rundt sin egen akse. Da vil hele DNA-sirkelen tvinne seg rundt seg selv, vi får en negativ supervridd (supercoiled) DNA (WIKI) . Hvis vi i stedet tvinner DNA-spiralen en eller to ganger ekstra før den kobles sammen, får vi positivt supervridd DNA.

To DNA-molekyler som er like bortsett fra antall omdreininger rundt sin egen akse kalles topoisomere (WIKI) .

Enzymer som kan innføre flere eller færre dreininger på DNA-spiralen kalles DNA topoisomeraser . Å gjøre dette krever tre operasjoner. Først må en eller begge ryggradene kuttes ved å bryte en fosfoesterbinding (endonuklease). Så må en DNA-tråd føres rundt en annen. Til slutt må ryggraden limes sammen igjen (ligase). Topoisomerase-I-enzymer kutter bare én ryggrad og tvinner trådene mer slik at vi får positiv supercoiling. Type II kutter begge ryggradene og innfører negativ supercoil. Disse enzymene kan altså både bryte en fosfoeseterbinding (nuklease) og etterpå lage en ny fosfoesterbinding (ligase).

Plasmider og andre små sirkulære DNA-molekyler får normalt en omdreining for lite på DNA-spiralen før sirkelen lukkes, slik at at de blir negativt supervridd. Supervridd sirkulært DNA har en mer kompakt form enn en åpen (slapp) sirkel.

2.5 RNA (WIKI)

RNA står for Ribo Nucleic Acid. Rent kjemisk er det tre viktige forskjeller mellom DNA og RNA:

1. RNA inneholder ribose , ikke deoksyribose.

2. RNA inneholder basen Uracil (U) i stedet for Tymin (T) . U skiller seg fra T ved at den mangler en metylgruppe, ellers er de like.

3. RNA foreligger normalt enkelttrådet i cellene.

Mens basene i DNA er bundet sammen og beskyttet inne i dobbeltspiralen, er basene i RNA ofte åpne og ubeskyttet mot miljøet rundt. DNA er derfor utrolig stabilt og tåler svært mye før det ødelegges, mens RNA er ustabilt, og det har ofte begrenset levetid før det brytes ned. Dette gjelder både i en levende celle (in vivo) og utenfor cellen (in vitro).

RNA-funksjon

DNA er selve arvestoffet, og inneholder den genetiske informasjonen. Av RNA har vi tre hovedklasser, som alle er involvert i overføringen av denne genetiske informasjonen ved proteinsyntesen. Vi har:

mRNA, messenger RNA (WIKI) , er en avskrift av baserekkefølgen i en bit av DNA (et gen). Denne brukes som oppskrift ved proteinsyntesen.

rRNA, ribosomalt RNA (WIKI) , er med på å bygge opp ribosomene, der proteinsyntesen forgår.

tRNA, transfer RNA (WIKI), bringer rett aminosyre på rett plass under proteinsyntesen.