Άσκηση 12: Γενετική Ι Μεντελισμός Χρωμοσωματική...

20
- 147 - Άσκηση 12: Γενετική Ι: Μεντελισμός Χρωμοσωματική θεωρεία της κληρονομικότητας Σύνοψη Σκοπός της άσκησης είναι η κατανόηση των φαινομένων της κληρονομικότητας και των νόμων που τα διέπουν. Ο φοιτητής θα κατανοήσει ότι η Μεντελική κληρονομικότητα διέπεται από τους νόμους των πιθανοτήτων και βασίζεται στη συμπεριφορά των χρωμοσωμάτων (η οποία μελετήθηκε στην Άσκηση 8) και ότι τα πρότυπα κληρονόμησης είναι συχνά πιο περίπλοκα από ό,τι προβλέπει η απλή Μεντελική γενετική. Επιπλέον, θα εκτιμήσει τον ρόλο του περιβάλλοντος στη διαμόρφωση του φαινοτύπου, θα μάθει για την πολυγονιδιακή κληρονομικότητα καθώς και τον τρόπο κληρονόμησης των γενετικών διαταραχών και ασθενειών στον άνθρωπο (αυτοσωματική υπολειπόμενη και επικρατής κληρονομικότητα). Στο τέλος της άσκησης, ο φοιτητής καλείται να απαντήσει σε ερωτήσεις αυτοαξιολόγησης και να δώσει λύσεις σε απλά και περισσότερο σύνθετα προβλήματα γενετικής. Προαπαιτούμενη γνώση Από το βιβλίο των Campbell, N. A., & Reece, J. B. (2010), Βιολογία (τόμος Ι), Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, ISBN: 978-960-524-306-7, ο φοιτητής θα πρέπει να ανατρέξει στο Κεφάλαιο 13: Μείωση και φυλετικοί βιολογικοί κύκλοι και στο Κεφάλαιο 14: Ο Μέντελ και η έννοια του γονιδίου. 1. Εισαγωγικό μέρος Γενετική είναι ο κλάδος της Βιολογίας που μελετάει το φαινόμενο της κληρονομικότητας και προσπαθεί να εξηγήσει τους νόμους που τη διέπουν. Η λέξη γενετική συνδέεται με τη λέξη γονίδιο που είναι η βασική μονάδα της κληρονομικότητας. Η σύγχρονη γενετική οφείλει πολλά στον Γρηγόριο Μέντελ (Gregor Mendel), έναν Αυστριακό μοναχό που με το έργο του συνέβαλε καθοριστικά στην κατανόηση των μηχανισμών της κληρονομικότητας (Εικ. 12.1). Εικόνα 12.1 – Γρηγόριος Μέντελ (1822-1884). Με βάση τα αποτελέσματα των πειραματικών του διασταυρώσεων στο μοσχομπίζελο (Pisum sativum), ο Μέντελ διατύπωσε μια θεωρία για την κληρονομικότητα που αποτέλεσε τη βάση της σύγχρονης γενετικής. Στα δεξιά της εικόνας φαίνεται λεπτομέρεια του άνθους του μοσχομπίζελου σε δύο διαφορετικούς χρωματισμούς. 1.1. Το έργο του Μέντελ

Transcript of Άσκηση 12: Γενετική Ι Μεντελισμός Χρωμοσωματική...

- 147 -

Άσκηση 12: Γενετική Ι: Μεντελισμός – Χρωμοσωματική θεωρεία της κληρονομικότητας

Σύνοψη Σκοπός της άσκησης είναι η κατανόηση των φαινομένων της κληρονομικότητας και των νόμων που τα διέπουν. Ο φοιτητής θα κατανοήσει ότι η Μεντελική κληρονομικότητα διέπεται από τους νόμους των πιθανοτήτων και βασίζεται στη συμπεριφορά των χρωμοσωμάτων (η οποία μελετήθηκε στην Άσκηση 8) και ότι τα πρότυπα κληρονόμησης είναι συχνά πιο περίπλοκα από ό,τι προβλέπει η απλή Μεντελική γενετική. Επιπλέον, θα εκτιμήσει τον ρόλο του περιβάλλοντος στη διαμόρφωση του φαινοτύπου, θα μάθει για την πολυγονιδιακή κληρονομικότητα καθώς και τον τρόπο κληρονόμησης των γενετικών διαταραχών και ασθενειών στον άνθρωπο (αυτοσωματική υπολειπόμενη και επικρατής κληρονομικότητα). Στο τέλος της άσκησης, ο φοιτητής καλείται να απαντήσει σε ερωτήσεις αυτοαξιολόγησης και να δώσει λύσεις σε απλά και περισσότερο σύνθετα προβλήματα γενετικής.

Προαπαιτούμενη γνώση Από το βιβλίο των Campbell, N. A., & Reece, J. B. (2010), Βιολογία (τόμος Ι), Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, ISBN: 978-960-524-306-7, ο φοιτητής θα πρέπει να ανατρέξει στο Κεφάλαιο 13: Μείωση και φυλετικοί βιολογικοί κύκλοι και στο Κεφάλαιο 14: Ο Μέντελ και η έννοια του γονιδίου.

1. Εισαγωγικό μέρος Γενετική είναι ο κλάδος της Βιολογίας που μελετάει το φαινόμενο της κληρονομικότητας και προσπαθεί να εξηγήσει τους νόμους που τη διέπουν. Η λέξη γενετική συνδέεται με τη λέξη γονίδιο που είναι η βασική μονάδα της κληρονομικότητας.

Η σύγχρονη γενετική οφείλει πολλά στον Γρηγόριο Μέντελ (Gregor Mendel), έναν Αυστριακό μοναχό που με το έργο του συνέβαλε καθοριστικά στην κατανόηση των μηχανισμών της κληρονομικότητας (Εικ. 12.1).

Εικόνα 12.1 – Γρηγόριος Μέντελ (1822-1884). Με βάση τα αποτελέσματα των πειραματικών του διασταυρώσεων στο μοσχομπίζελο (Pisum sativum), ο Μέντελ διατύπωσε μια θεωρία για την κληρονομικότητα που αποτέλεσε τη βάση της σύγχρονης γενετικής. Στα δεξιά της εικόνας φαίνεται λεπτομέρεια του άνθους του μοσχομπίζελου σε δύο διαφορετικούς χρωματισμούς.

1.1. Το έργο του Μέντελ

- 148 -

Ο Μέντελ δεν ήταν απλώς ένας μοναχός που περνούσε την ώρα του καλλιεργώντας τον κήπο του μοναστηριού. Ήταν άτομο με έντονες πνευματικές ανησυχίες που εξελίχθηκε σύντομα σε έναν πολύ ικανό μελετητή της φύσης. Χειροτονήθηκε ιερέας το 1847, ενώ το 1850 έδωσε εξετάσεις για τακτικός δάσκαλος, χωρίς όμως επιτυχία. Ένα χρόνο αργότερα στάλθηκε από τη μονή του στο Πανεπιστήμιο της Βιέννης για σπουδές φυσικής, χημείας, μαθηματικών, ζωολογίας και βοτανικής. Όταν επέστρεψε στο μοναστήρι άρχισε να ασχολείται εντατικά με τον υβριδισμό των φυτών και κατάφερε να αναπτύξει νέες ποικιλίες φρούτων και λαχανικών, ενώ συγχρόνως παρακολουθούσε τις ανακαλύψεις στον τομέα που τον ενδιέφερε.

Τα πειράματα του Μέντελ οδήγησαν στη διατύπωση δύο νόμων σχετικά με την κληρονομική διάδοση χαρακτηριστικών από γενιά σε γενιά φυτών. Αργότερα, οι νόμοι αυτοί έγιναν γνωστοί ως «νόμοι της Μεντελικής κληρονομικότητας» και αποτέλεσαν γενεσιουργό παράγοντα για την επιστήμη της Γενετικής. Ο οργανισμός που επέλεξε ο Μέντελ να χρησιμοποιήσει στα πειράματά του ήταν το μοσχομπίζελο (Pisum sativum), ένα φυτό που καλλιεργείται σχετικά εύκολα, έχει μικρό χρόνο γενιάς με μεγάλο αριθμό απογόνων σε κάθε διασταύρωση, από το οποίο είχε καταφέρει να αναπτύξει 34 αμιγή («καθαρά») στελέχη με χαρακτηριστικές ευδιάκριτες διαφορές (Εικ. 12.2).

Εικόνα 12.2 – Επτά ζεύγη χαρακτηριστικών γνωρισμάτων του μοσχομπίζελου που χρησιμοποιήθηκαν από τον Μέντελ για τις πειραματικές του διασταυρώσεις, καθώς και τα αποτελέσματα των διασταυρώσεων στην F2 γενιά. 1.2. Μονοϋβριδισμός Στα πειράματά του ο Μέντελ έκανε τις πρώτες διασταυρώσεις ανάμεσα σε φυτά που διέφεραν ως προς ένα μόνο χαρακτηριστικό (π.χ. το χρώμα του άνθους). Στη φύση, τα μπιζέλια συνήθως αυτογονιμοποιούνται και γι’ αυτό ο Μέντελ έκανε τις διασταυρώσεις του τεχνητά, ώστε να γνωρίζει με βεβαιότητα τη γονική προέλευση των φυτών που καλλιεργούσε (Εικ. 12.3). Η διασταύρωση ανάμεσα σε δύο αμιγείς ποικιλίες ονομάζεται υβριδοποίηση και η μελέτη του τρόπου κληρονομικότητας μιας μόνο ιδιότητας, αναφέρεται ως μονοϋβριδισμός.

- 149 -

Εικόνα 12.3 – Τεχνητή, σταυρωτή επικονίαση στο μοσχομπίζελο. Επειδή το μοσχομπίζελο αυτογονιμοποιείται, ο Μέντελ έκανε τις διασταυρώσεις του τεχνητά και έτσι μπορούσε να ελέγξει ακριβώς ποιοι θα ήταν οι γονείς στην κάθε διασταύρωση.

Όταν τα φυτά που διασταυρώθηκαν (πατρική γενιά ή γενιά Ρ) διέφεραν ως προς το χρώμα του άνθους και ο ένας γονιός είχε μωβ άνθη ενώ ο άλλος λευκά, όλοι οι απόγονοι (F1 γενιά) είχαν μωβ χρώμα άνθους (Εικ. 12.4). Παρόμοια, όταν φυτά με κίτρινο χρώμα σπέρματος διασταυρώνονταν με φυτά με πράσινο χρώμα σπέρματος, όλοι οι απόγονοι της P γενιάς, δηλαδή τα άτομα της F1 γενιάς, ήταν ομοιόμορφοι μεταξύ τους (είχαν όλοι κίτρινα σπέρματα) και έμοιαζαν με τον έναν από τους δύο γονείς. Δηλαδή, και στις δύο περιπτώσεις, το ένα χαρακτηριστικό φαινόταν να επικαλύπτει το άλλο. Ο Μέντελ ονόμασε τα χαρακτηριστικά που επικρατούσαν στην πρώτη θυγατρική γενιά (F1) επικρατή ή υπερέχοντα χαρακτηριστικά, ενώ αυτά που δεν φαίνονταν τα ονόμασε υπολειπόμενα ή υποτελή.

Εικόνα 12.4 – Αποτελέσματα μονοϋβριδισμού.

Στη συνέχεια, ο Μέντελ άφησε τα φυτά της F1 γενιάς να γονιμοποιηθούν ελεύθερα, πήρε τα σπέρματα, τα φύτεψε και μέτρησε πόσα φυτά κάθε τύπου βγήκαν απ’ αυτά τα σπέρματα. Έτσι, από τα 929 φυτά της

- 150 -

δεύτερης θυγατρικής γενιάς (F2 γενιά), τα 705 είχαν μωβ άνθη και τα 224 λευκά (Εικ. 12.2). Αντίστοιχα, από τη διασταύρωση των φυτών της F1 γενιάς που όλα είχαν κίτρινα σπέρματα, στην F2 γενιά ο Μέντελ βρήκε 5.474 απογόνους με κίτρινα σπέρματα και 1.850 απογόνους με πράσινα. Δηλαδή, και στις δύο περιπτώσεις, το υποτελές χαρακτηριστικό που δεν είχε εμφανιστεί στην F1 γενιά επανεμφανιζόταν στην F2 γενιά και μάλιστα σε μια αναλογία επικρατών προς υπολειπόμενα 3:1 (Εικ. 12.2 & 12.4).

Η επανάληψη των διασταυρώσεων με φυτά που διέφεραν ως προς άλλα χαρακτηριστικά (π.χ. θέση του

άνθους ή σχήμα του σπέρματος) έδινε πάντοτε ανάλογα αποτελέσματα (Εικ. 12.2). Από τη μαθηματική επεξεργασία των αποτελεσμάτων αυτών, ο Μέντελ οδηγήθηκε στο συμπέρασμα ότι κάθε φυτό περιέχει ένα ζευγάρι παραγόντων που ελέγχουν το κάθε χαρακτηριστικό και ότι ο κληρονομούμενος παράγοντας του υπολειπόμενου χαρακτηριστικού δεν χάνεται στα άτομα της F1 γενιάς, αλλά παρουσία του παράγοντα του επικρατούς χαρακτηριστικού με κάποιο τρόπο αποκρύπτεται. Οι παράγοντες ξεχωρίζουν μεταξύ τους κατά την παραγωγή των γαμετών, έτσι που ο κάθε γαμέτης να περιέχει μόνο έναν παράγοντα για το κάθε χαρακτηριστικό. Ο κάθε απόγονος παίρνει έναν παράγοντα από τον κάθε γονιό και οι παράγοντες αυτοί διατηρούν την ξεχωριστή οντότητά τους και μεταβιβάζονται από γενιά σε γενιά χωρίς να συγχωνεύονται ή να ανακατεύονται μεταξύ τους. Αυτή η κατανομή των παραγόντων στους γαμέτες και ο τυχαίος συνδυασμός τους αποτελεί τον 1ο νόμο του Μέντελ ή νόμο του διαχωρισμού των αλληλομόρφων γονιδίων. 1.2.1. Επεξήγηση των νόμων του Μέντελ με τα σημερινά δεδομένα Τα αποτελέσματα του Μέντελ μπορούν να ερμηνευτούν με βάση αυτά που γνωρίζουμε σήμερα για τη μείωση. Σε έναν διπλοειδή πυρήνα υπάρχουν δύο ομόλογες σειρές χρωμοσωμάτων και κάθε γονίδιο που ελέγχει ένα συγκεκριμένο χαρακτηριστικό (π.χ. χρώμα του άνθους) εκπροσωπείται δύο φορές, μία φορά σε κάθε ομόλογο συγκεκριμένου ζεύγους χρωμοσωμάτων. Οι μορφές των γονιδίων αυτών σε κάθε ένα από τα δύο ομόλογα χρωμοσώματα μπορεί να είναι οι ίδιες ή διαφορετικές ως προς τον τρόπο ελέγχου του χαρακτηριστικού (αλληλόμορφα γονίδια). Έτσι, το ένα αλληλόμορφο του γονιδίου στο ένα χρωμόσωμα μπορεί να προσδίδει μωβ χρώμα στα άνθη, ενώ το άλλο, στο ομόλογο χρωμόσωμα, να καθορίζει το σχηματισμό λευκών ανθών. Απ’ αυτά που γνωρίζουμε για τον διαχωρισμό των ομολόγων χρωμοσωμάτων κατά τη μείωση, είναι προφανές ότι το ένα από τα δύο αλληλόμορφα γονίδια θα πάει στον ένα γαμέτη και το άλλο στον άλλο, μιας και τα χρωμοσώματα στα οποία εδράζονται θα πάνε σε διαφορετικούς γαμέτες.

Οι ανακαλύψεις του Μέντελ δεν εκτιμήθηκαν από την αρχή για διάφορους λόγους, ένας από τους οποίους ήταν και η άγνοια αναφορικά με το ποια ήταν η φυσική βάση των παραγόντων που περνούσαν με τη γονιμοποίηση από τη μία γενιά στην άλλη. Σκεφτείτε ότι την εποχή που ο Μέντελ παρουσίαζε τα αποτελέσματά του, τα γεγονότα που συμβαίνουν στη μείωση ήταν παντελώς άγνωστα. Μόνο όταν έγιναν γνωστές οι λεπτομέρειες της μείωσης έγιναν αποδεκτοί και οι νόμοι που είχε διατυπώσει ο Μέντελ και έγινε δυνατή η διατύπωση της χρωμοσωματικής θεωρίας της κληρονομικότητας, μιας θεωρίας που στηρίχθηκε σε δύο ανεξάρτητες πηγές δεδομένων: τα πειράματα του Μέντελ από τη μία και τη μικροσκοπική παρατήρηση των πυρήνων των διαιρούμενων κυττάρων από την άλλη. 1.2.2. Επεξήγηση βασικών όρων που χρησιμοποιούνται στη Γενετική Στη συνέχεια ακολουθεί μια σύντομη επεξήγηση ορισμένων βασικών όρων που χρησιμοποιούνται σήμερα στη Γενετική.

• Γονίδιο (gene): είναι αυτό που ο Μέντελ είχε ονομάσει παράγοντα. Με τον όρο γονίδιο εννοούμε εκείνο το τμήμα του γενετικού υλικού (DNA) που ελέγχει κάποιο χαρακτηριστικό και που έχει μια συγκεκριμένη θέση επάνω σε κάποιο χρωμόσωμα (γονιδιακός τόπος). Εναλλακτικές εκδοχές ενός γονιδίου που καταλήγουν σε διαφορετική έκφρασή του ονομάζονται αλληλόμορφα. Κάθε διπλοειδής οργανισμός κανονικά περιέχει δύο μόνο αλληλόμορφα γονίδια, ωστόσο, ο αριθμός των αλληλομόρφων κάποιου γονιδίου μπορεί να είναι πολύ μεγαλύτερος μέσα στους πληθυσμούς, που σημαίνει ότι το χαρακτηριστικό μπορεί να εκφράζεται κατά πολλούς διαφορετικούς τρόπους (π.χ. τα αλληλόμορφα του γονιδίου που καθορίζει το χρώμα των ματιών ή τις ομάδες αίματος στον άνθρωπο).

• Γονότυπος (genotype): είναι το σύνολο των γενετικών χαρακτήρων ή των αλληλομόρφων ενός

οργανισμού.

- 151 -

• Φαινότυπος (phenotype): είναι η έκφραση του γονοτύπου ή αλλιώς τα χαρακτηριστικά ενός

οργανισμού που καθορίζονται από τη γενετική του σύσταση. Είναι προφανές ότι εφόσον υπάρχουν επικρατή και υπολειπόμενα αλληλόμορφα, ο φαινότυπος δεν αντικατοπτρίζει υποχρεωτικά όλες τις μορφές των γονιδίων που περιέχει ο γονότυπος. Αν, για παράδειγμα, τα αλληλόμορφα που ελέγχουν το χρώμα του άνθους στα πειράματα του Μέντελ που περιγράφηκαν πιο πάνω συμβολιστούν με P για το επικρατές μωβ και p για το υπολειπόμενο λευκό, ο γονότυπος της F1 γενιάς θα πρέπει να ήταν Pp, αφού οι γονότυποι των γονέων ήταν PP και pp, αντίστοιχα, παρόλα αυτά ο φαινότυπος της F1 ήταν μωβ άνθη. Ο όρος φαινότυπος πάντως χρησιμοποιείται και ως ευρύτερη έννοια για να περιγράψει το σύνολο των γνωρισμάτων (π.χ. μορφολογικά, ανατομικά, φυσιολογικά κ.ά.) ενός οργανισμού, περιγράφει δηλαδή την έκφραση που δημιουργείται από το συνδυασμό όλων των αλληλομόρφων σε συγκεκριμένο περιβάλλον.

• Ομόζυγο (homozygous) για κάποιο γονίδιο είναι ένα άτομο που στους πυρήνες των κυττάρων του

διαθέτει δύο πανομοιότυπα αλληλόμορφα (π.χ. PP ή pp), ενώ ετερόζυγο (heterozygous) όταν τα αλληλόμορφα είναι διαφορετικά (π.χ. Pp).

Με βάση τους ορισμούς αυτούς, μπορείτε τώρα να διαπιστώσετε στην παρακάτω εικόνα (Εικ.12.5) τις

διασταυρώσεις του Μέντελ για το χρώμα του άνθους του μοσχομπίζελου στην περιγραφή που προηγήθηκε.

Εικόνα 12.5 – Επεξήγηση των αποτελεσμάτων του μονοϋβριδισμού.

Όπως φαίνεται στην Εικόνα 12.5, στην πατρική γενιά, το φυτό με τα μωβ άνθη είναι ομόζυγο ως προς το επικρατές αλληλόμορφο (γονότυπος PP), ενώ το φυτό με τα λευκά άνθη είναι ομόζυγο ως προς το υπολειπόμενο αλληλόμορφο (γονότυπος pp). Όλοι οι απόγονοι της διασταύρωσης αυτής (F1 γενιά) είναι φυτά ετερόζυγα με γονότυπο (Pp) και όλοι έχουν φαινότυπο μωβ άνθη γιατί το αλληλόμορφο που ελέγχει το μωβ χρώμα είναι επικρατές. Όταν διασταυρώνονται δύο ετερόζυγα άτομα της F1 γενιάς (Pp X Pp), τότε στην F2 γενιά εμφανίζονται και οι δύο φαινότυποι (φυτά με μωβ και φυτά με λευκά άνθη), αλλά υπάρχουν τρεις κατηγορίες γονότυπων (PP, Pp και pp). Συνεπώς, στην F2 γενιά η γονοτυπική αναλογία είναι 1:2:1, ενώ η φαινοτυπική αναλογία είναι 3:1 (Εικ. 12.6).

- 152 -

Εικόνα 12.6 – Γονοτυπικές και φαινοτυπικές αναλογίες μονοϋβριδισμού. 1.3. Διασταύρωση ελέγχου Από την ανάλυση των γονοτυπικών και φαινοτυπικών αναλογιών σε μία διασταύρωση μονοϋβριδισμού, όπως περιγράφηκε προηγουμένως, γίνεται φανερό ότι εάν ένας οργανισμός εμφανίζει το επικρατές χαρακτηριστικό (π.χ. το μωβ χρώμα άνθους στο μοσχομπίζελο) δεν είναι δυνατόν να γνωρίζουμε εάν είναι ομόζυγος (PP) ή ετερόζυγος (Pp), αφού και οι δύο γονότυποι δίνουν τον ίδιο φαινότυπο, το μωβ χρώμα. Το πρόβλημα αυτό φυσικά δεν υπάρχει στην περίπτωση των υπολειπόμενων αλληλομόρφων, αφού εάν το άτομο παρουσιάζει τον υπολειπόμενο φαινότυπο (π.χ. λευκά άνθη), τότε είναι προφανώς ομόζυγο ως προς το αλληλόμορφο αυτό (pp). Συχνά, έχει σημασία να μπορούμε να διακρίνουμε εάν ένα άτομο είναι ομόζυγο ή ετερόζυγο για κάποιο χαρακτηριστικό και γι’ αυτό το λόγο οι γενετιστές προβαίνουν σε μία διασταύρωση ελέγχου.

Σε μια διασταύρωση ελέγχου, το άτομο με τον άγνωστο γονότυπο διασταυρώνεται με ένα ομόζυγο άτομο που εκφράζει το υπολειπόμενο χαρακτηριστικό (Εικ. 12.7). Αν όλοι οι απόγονοι της διασταύρωσης αυτής έχουν μωβ άνθη, τότε το φυτό της άγνωστης σύστασης είναι ομόζυγο ως προς το επικρατές αλληλόμορφο, επειδή όλοι οι απόγονοι της διασταύρωσης PP X pp είναι φυτά ετερόζυγα (Pp). Αν, πάλι, οι μισοί απόγονοι έχουν μωβ, αλλά οι άλλοι μισοί λευκά άνθη, τότε το άτομο που ελέγχεται είναι ετερόζυγο, έχει δηλαδή γονότυπο Pp (Εικ. 12.7).

Η διασταύρωση ενός οργανισμού αγνώστου γονοτύπου με ένα υπολειπόμενο ομόζυγο άτομο ονομάζεται διασταύρωση ελέγχου, επειδή μπορεί να αποκαλύψει το γονότυπο του οργανισμού αυτού.

Εικόνα 12.7 – Διασταύρωση ελέγχου.

- 153 -

1.4. Ενδιάμεση κληρονομικότητα – ατελώς επικρατή γονίδια Για έναν μεγάλο αριθμό αλληλομόρφων που ελέγχουν διάφορα χαρακτηριστικά υπάρχουν σχέσεις υπεροχής-υποτέλειας, όπως ισχύει στην περίπτωση του χρώματος στα άνθη του μοσχομπίζελου. Σε ορισμένες, ωστόσο, περιπτώσεις, οι απόγονοι γονέων που διαφέρουν ως προς ένα αλληλόμορφο κάποιου γονιδίου εμφανίζουν έναν φαινότυπο που είναι ενδιάμεσος ανάμεσα στους φαινοτύπους των γονέων. Αυτό το είδος της κληρονομικότητας λέγετε ενδιάμεση κληρονομικότητα (ή αλλιώς ατελής επικράτηση) και οφείλεται στο γεγονός ότι μερικά γονίδια είναι ατελώς επικρατή.

Αν, για παράδειγμα, η διασταύρωση ανάμεσα σε φυτά με κόκκινα και λευκά άνθη γίνει στο φυτό αντίρρινο (κοινώς «σκυλάκι») και όχι στο μοσχομπίζελο, τα αποτελέσματα είναι αυτά που φαίνονται στην Εικόνα 12.8. Στην F1 γενιά όλοι οι απόγονοι είναι ομοιόμορφοι και έχουν ένα ενδιάμεσο χρώμα άνθους, το ροζ. Αυτός ο τρίτος (ενδιάμεσος) φαινότυπος εμφανίζεται επειδή τα άνθη των ετερόζυγων ατόμων έχουν λιγότερη κόκκινη χρωστική απ’ ό,τι τα ομόζυγα κόκκινα. Στην F2 γενιά, επανεμφανίζονται τα χρώματα κόκκινο και λευκό της πατρικής γενιάς, αλλά εμφανίζονται και απόγονοι με ενδιάμεσο (ροζ) χρώμα. Από τα αποτελέσματα αυτά, γίνεται φανερό ότι στην περίπτωση της ενδιάμεσης κληρονομικότητας οι γονοτυπικές και οι φαινοτυπικές αναλογίες στην F2 γενιά είναι οι ίδιες (γονοτυπική αναλογία: 1RR : 2Rr : 1rr, φαινοτυπική αναλογία: 1 κόκκινο : 2 ροζ : 1 λευκό).

Εικόνα 12.8 – Ενδιάμεση κληρονομικότητα στο χρώμα του άνθους στο φυτό σκυλάκι. 1.5. Διυβριδισμός Η μέχρι τώρα συζήτηση για την κληρονομικότητα επικεντρώθηκε στον τρόπο με τον οποίο κληρονομείται ένα μόνο χαρακτηριστικό, αγνοώντας τα υπόλοιπα χαρακτηριστικά του οργανισμού. Ο Μέντελ, όμως, προχώρησε τα πειράματά του και μελέτησε τον τρόπο με τον οποίο κληρονομούνται ταυτόχρονα δύο ή περισσότερα χαρακτηριστικά. Στην Εικόνα 12.9 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα μιας διασταύρωσης που έκανε ο Μέντελ

- 154 -

μεταξύ δύο αμιγών ποικιλιών μπιζελιού που διέφεραν ως προς το σχήμα αλλά και το χρώμα των σπερμάτων, μιας ποικιλίας με στρογγυλούς-κίτρινους σπόρους και μιας με ρυτιδωμένους-πράσινους σπόρους.

Στην F1 γενιά, όλα τα φυτά ήταν ομοιόμορφα και είχαν στρογγυλά-κίτρινα σπέρματα, που δείχνει ότι ο χαρακτήρας στρογγυλά σπέρματα είναι επικρατής του χαρακτήρα ρυτιδωμένα σπέρματα και ότι το κίτρινο χρώμα σπέρματος επικρατεί έναντι του πράσινου. Στην F2 γενιά, οι απόγονοι έδειξαν τους εξής φαινοτύπους:

315 με στρογγυλά-κίτρινα σπέρματα 108 με στρογγυλά-πράσινα σπέρματα

101 με ρυτιδωμένα-κίτρινα σπέρματα 32 με ρυτιδωμένα-πράσινα σπέρματα Παρατηρήστε ότι στους απογόνους της F2 γενιάς επανεμφανίζεται ο υπολειπόμενος γονικός

φαινότυπος ρυτιδωμένα-πράσινα σπέρματα, αλλά εμφανίζονται και δύο μη-γονικοί φαινότυποι που προκύπτουν από συνδυασμό των γονικών (στρογγυλά-πράσινα και ρυτιδωμένα-κίτρινα σπέρματα). Τα παραπάνω δείχνουν ότι τα γονίδια για το σχήμα και για το χρώμα των σπερμάτων έχουν τη δυνατότητα να μεταβιβάζονται ανεξάρτητα, χωρίς να επηρεάζει το ένα τη μεταβίβαση του άλλου. Αναλογιζόμενοι τα όσα συμβαίνουν κατά τη μείωση, αυτό σημαίνει ότι τα γονίδια για το σχήμα και για το χρώμα των σπερμάτων θα πρέπει να βρίσκονται σε διαφορετικά ζευγάρια ομολόγων χρωμοσωμάτων, τα οποία αποχωρίζονται ανεξάρτητα μεταξύ τους και δημιουργούν όλους τους δυνατούς συνδυασμούς. Βασισμένος σ’ αυτά τα αποτελέσματα, ο Μέντελ πρότεινε τον 2ο νόμο του που είναι γνωστός ως νόμος του ανεξάρτητου συνδυασμού, σύμφωνα με τον οποίο, κατά τον σχηματισμό των γαμετών, κάθε ζεύγος αλληλομόρφων διαχωρίζεται ανεξάρτητα από κάθε άλλο ζεύγος αλληλομόρφων.

Στην Εικόνα 12.9 παρουσιάζονται αναλυτικά τα αποτελέσματα της παραπάνω διασταύρωσης

διυβριδισμού, όπου με Y και y συμβολίζονται τα αλληλόμορφα για το στρογγυλό και το ρυτιδωμένο σχήμα του σπέρματος, αντίστοιχα, και με R και r τα αλληλόμορφα για το κίτρινο και το πράσινο χρώμα, αντίστοιχα. Στον πίνακα (που λέγεται αβάκιο του Punnett), φαίνονται όλοι οι δυνατοί γονότυποι που μπορούν να προκύψουν στην F2 γενιά. Από τους γονοτύπους αυτούς μπορείτε να διαπιστώσετε ότι οι δυνατοί φαινότυποι είναι τέσσερις και ότι εμφανίζονται σε αναλογία 9:3:3:1.

Εικόνα 12.9 – Διασταύρωση διυβριδισμού.

- 155 -

Εκείνο που στην πραγματικότητα συμβαίνει κατά τον διυβριδισμό είναι ότι τα αλληλόμορφα του κάθε γονιδίου συμπεριφέρονται ακριβώς όπως στον μονοϋβριδισμό. Έτσι, αν στα αποτελέσματα του Μέντελ που δίνονται παραπάνω εξετάσετε τους αριθμούς μόνο για το σχήμα των σπερμάτων και αγνοήσετε το χρώμα τους, διαπιστώνετε ότι στην F2 γενιά βρέθηκαν 423 φυτά με στρογγυλά σπέρματα (315+108) και 133 φυτά με ρυτιδωμένα σπέρματα (101+32), δηλαδή μια αναλογία πολύ κοντά στο 3:1. Το ίδιο ισχύει αν εξετάσετε το χρώμα των σπερμάτων και αγνοήσετε το σχήμα τους. Συνεπώς, η αναλογία 9:3:3:1 του διυβριδισμού είναι στην πραγματικότητα το προϊόν δύο ξεχωριστών και ανεξάρτητων αναλογιών 3:1.

Μελετώντας την Εικόνα 12.10, μπορείτε τώρα να κατανοήσετε πως τα αποτελέσματα στη διασταύρωση

διυβριδισμού που περιγράφηκε εξηγούνται με βάση τα όσα γνωρίζουμε για τον διαχωρισμό των ομολόγων χρωμοσωμάτων κατά τη διεργασία της μείωσης. Παρατηρήστε ότι τα αποτελέσματα αυτά προκύπτουν επειδή τα γονίδια για το σχήμα και για το χρώμα των σπερμάτων βρίσκονται σε διαφορετικά ζευγάρια ομολόγων χρωμοσωμάτων, τα οποία αποχωρίζονται ανεξάρτητα μεταξύ τους δημιουργώντας όλους τους δυνατούς συνδυασμούς γαμετών.

Εικόνα 12.10 – Επεξήγηση των αποτελεσμάτων του Μέντελ με βάση τη συμπεριφορά των χρωμοσωμάτων κατά τη μείωση – Χρωμοσωματική θεωρία της κληρονομικότητας.

Στο βαθμό που τα γονίδια των οποίων εξετάζεται η κληρονομικότητα βρίσκονται τοποθετημένα σε διαφορετικά ζεύγη ομολόγων χρωμοσωμάτων, όπως στο προηγούμενο παράδειγμα, η παραπάνω μεθοδολογία μπορεί να εφαρμοστεί για οποιοδήποτε αριθμό γονιδίων. Ωστόσο, είναι φανερό πως η κατασκευή αβακίων του Punnett γίνεται αρκετά περίπλοκη όταν πρόκειται να εξεταστούν πολλά ζεύγη γονιδίων μαζί. Στις περιπτώσεις

- 156 -

αυτές, ο υπολογισμός των φαινοτυπικών αναλογιών γίνεται με βάση τη γνώση του αν ένα αλληλόμορφο είναι επικρατές ή υπολειπόμενο και την αρχή ότι «η πιθανότητα ότι ένας αριθμός ανεξάρτητων γεγονότων θα συμβούν μαζί ισούται με το γινόμενο των πιθανοτήτων που έχει το κάθε γεγονός να συμβεί μόνο του». Έτσι, για παράδειγμα, για να υπολογίσουμε το ποσοστό των απογόνων στην F2 γενιά της παραπάνω διασταύρωσης που θα έχουν τον φαινότυπο στρογγυλά-πράσινα σπέρματα, αρκεί να πράξουμε ως εξής: Γνωρίζουμε ότι το αλληλόμορφο για τα στρογγυλά σπέρματα είναι επικρατές και συνεπώς σε μια διασταύρωση μονοϋβριδισμού πρέπει να εκφράζεται στα 3/4 των απογόνων. Το αλληλόμορφο για τα πράσινα σπέρματα, πάλι, είναι υπολειπόμενο και επομένως σε μια διασταύρωση μονοϋβριδισμού εκφράζεται στο 1/4 των απογόνων. Η πιθανότητα ότι και τα δύο θα συμβούν μαζί είναι 3/4 Χ 1/4 = 3/16, που σημαίνει ότι 3 στους 16 δυνατούς συνδυασμούς του διυβριδισμού θα είναι φυτά με στρογγυλά-πράσινα σπέρματα, ακριβώς όπως φαίνεται και από το αβάκιο του Punnett στην Εικόνα 12.9. 1.6. Σύνδεση και ανασυνδυασμός Από τα πειράματα διυβριδισμού που περιγράφηκαν έως τώρα διαπιστώθηκε ότι τα γονίδια διαχωρίζονται ανεξάρτητα το ένα από το άλλο. Η χρωμοσωματική θεωρία της κληρονομικότητας εξήγησε το φαινόμενο αυτό με την παραδοχή ότι συνέβαινε γιατί τα γονίδια που εξέταζε ο Μέντελ ήταν τοποθετημένα σε διαφορετικά χρωμοσώματα. Όμως, ο αριθμός των χρωμοσωμάτων σε κάθε είδος είναι πολύ μικρότερος από τον αριθμό των γονιδίων του οργανισμού και επομένως, είναι προφανές, ότι πολλά γονίδια βρίσκονται τοποθετημένα στο ίδιο χρωμόσωμα και ότι όλα τα γονίδια ενός χρωμοσώματος θα πρέπει να μεταβιβάζονται μαζί και όχι ανεξάρτητα. Γονίδια που βρίσκονται τοποθετημένα στο ίδιο χρωμόσωμα αναφέρονται ως συνδεδεμένα γονίδια.

Το πώς κατόρθωσε ο Μέντελ να μελετήσει μόνο γονίδια που βρίσκονταν σε διαφορετικά χρωμοσώματα, και επομένως διαχωρίζονταν ανεξάρτητα κατά τη μείωση, παραμένει μιας κάποιας μορφής μυστήριο, το οποίο θα μπορούσε να εξηγηθεί ή με την παραδοχή ότι ο Μέντελ ήταν ιδιαίτερα τυχερός στην επιλογή των χαρακτηριστικών που μελέτησε ή ότι δεν λάμβανε υπόψη του όσα πειράματα έδιναν αποτελέσματα που δεν ταίριαζαν με τις υποθέσεις του!

Το 1906, οι Bateson και Punnett διαπίστωσαν ότι τα αποτελέσματα μιας διασταύρωσης διυβριδισμού που έκαναν στο μοσχομπίζελο (φυτά με μωβ άνθη και επιμήκης γυρεόκοκκους Χ φυτά με κόκκινα άνθη και στρογγυλούς γυρεόκοκκους) δεν ταίριαζαν με τη θεωρεία του Μέντελ περί ανεξάρτητου διαχωρισμού των γονιδίων. Συγκεκριμένα, ανάμεσα στους απογόνους τους F2 γενιάς παρατήρησαν δυσανάλογα μεγαλύτερα ποσοστά ατόμων με τους γονικούς φαινότυπους, ενώ τα ποσοστά των μη-γονικών φαινοτύπων ήταν χαμηλότερα από τα αναμενόμενα. Στην προσπάθειά τους να εξηγήσουν την πιο συχνή από την αναμενόμενη σύγχρονη είσοδο στους δύο γαμέτες και των δύο επικρατών αλληλομόρφων μαζί ή και των δύο υπολειπόμενων μαζί, οι ερευνητές αυτοί πρότειναν την ιδέα της «μερικής σύζευξης» των γονιδίων. Το φαινόμενο, όμως, έγινε κατανοητό αργότερα, με την ερευνητική δουλειά της ομάδας του Morgan στη Drosophila (τη μύγα των φρούτων). Διαπιστώθηκε, έτσι, ότι όλα τα γονίδια που υπάρχουν στον πυρήνα ανήκουν σε τόσες ομάδες σύνδεσης, όσος είναι και ο απλοειδής αριθμός των χρωμοσωμάτων κάθε είδους. Έτσι, μη αλληλόμορφα γονίδια μπορεί να είναι συνδεδεμένα γιατί βρίσκονται τοποθετημένα στο ίδιο χρωμόσωμα. Κατά τη μείωση, τα συνδεδεμένα γονίδια τείνουν να παραμένουν μαζί και να πηγαίνουν στον ίδιο γαμέτη. Στην περίπτωση που τα μη αλληλόμορφα γονίδια μπαίνουν στους γαμέτες σε διαφορετικές αναλογίες από αυτές που αναμένονται (όπως στην περίπτωση των γονιδίων για το χρώμα του άνθους και το σχήμα του γυρεόκοκκου στη διασταύρωση των Bateson και Punnett), τότε έχουμε το φαινόμενο του ανασυνδυασμού.

Για να γίνουν πιο κατανοητά τα παραπάνω, ας εξετάσουμε με λεπτομέρεια τα αποτελέσματα μιας διασταύρωσης που έκανε η ερευνητική ομάδα του Morgan μεταξύ ενός θηλυκού ατόμου Drosophila με γκρίζο χρώμα σώματος και μακριά πτερύγια (ο συνήθης φυσιολογικός φαινότυπος της Drosophila) και ενός μεταλλαγμένου αρσενικού ατόμου που είχε μαύρο χρώμα σώματος και κοντά-ζαρωμένα πτερύγια (Εικ. 12.11). Αν Α και a συμβολίζουν τα αλληλόμορφα για το γκρίζο και το μαύρο χρώμα του σώματος, αντίστοιχα, και B και b τα αλληλόμορφα για τα μακριά και τα κοντά πτερύγια, αντίστοιχα, τότε η διασταύρωση ενός ετερόζυγου ως προς τα δύο χαρακτηριστικά θηλυκού ατόμου (γονότυπος: AaBb) με ένα μεταλλαγμένο αρσενικό (γονότυπος: aabb) έδωσε τα αποτελέσματα που φαίνονται στην Εικόνα 12.11.

- 157 -

Εικόνα 12.11 – Αποτελέσματα μεταβίβασης δύο συνδεδεμένων γονιδίων στη Drosophila.

Αν τα γονίδια που ελέγχουν το χρώμα του σώματος και το μέγεθος των πτερυγίων στη Drosophila

βρίσκονταν σε διαφορετικά χρωμοσώματα, τότε, σύμφωνα με τον 2ο νόμο του Μέντελ για τον ανεξάρτητο συνδυασμό των γονιδίων, στους απογόνους της παραπάνω διασταύρωσης θα εμφανίζονταν οι τέσσερις δυνατοί φαινότυποι σε αναλογία:

1 γκρίζο (σώμα)-μακριά (πτερύγια) : 1 μαύρο-κοντά : 1 γκρίζο-κοντά : 1 μαύρο-μακριά (Παρατηρήστε ότι η φαινοτυπική αναλογία 1:1:1:1 αναμένεται επειδή το θηλυκό άτομο είναι ετερόζυγο ως προς τα δύο χαρακτηριστικά).

Ωστόσο, η φαινοτυπική αναλογία που βρήκε ο Morgan μεταξύ των απογόνων διέφερε κατά πολύ από

την αναμενόμενη (Εικ. 12.11). Εμφανίζονταν, δηλαδή, δυσανάλογα μεγαλύτερα ποσοστά ατόμων με φαινότυπο γκρίζο χρώμα σώματος-μακριά πτερύγια και φαινότυπο μαύρο χρώμα σώματος-κοντά πτερύγια (οι γονικοί φαινότυποι). Σύμφωνα με τον Morgan, τα αποτελέσματα αυτά μπορούν να εξηγηθούν αν τα δύο γονίδια (το γονίδιο που ελέγχει το χρώμα σώματος και εκείνο για το μέγεθος των πτερυγίων) βρίσκονται επάνω στο ίδιο χρωμόσωμα, οπότε κατά τη μείωση παραμένουν συνήθως μαζί και πηγαίνουν στον ίδιο γαμέτη. Οι ενδιάμεσοι φαινότυποι γκρίζο χρώμα σώματος-κοντά πτερύγια και μαύρο χρώμα σώματος-μακριά πτερύγια εμφανίζονται σε μικρότερα ποσοστά ως αποτέλεσμα του φαινομένου του ανασυνδυασμού. Το φαινόμενο αυτό, όπως γνωρίζουμε σήμερα, συμβαίνει κατά τη διάρκεια της σύναψης των ομολόγων χρωμοσωμάτων κατά την πρόφαση Ι της μειωτικής διαίρεσης, οπότε και παρατηρείται το κυτταρολογικό φαινόμενο του επιχιασμού, κατά τη διάρκεια του οποίου γίνονται ανταλλαγές γενετικού υλικού ανάμεσα στις μη-αδελφές χρωματίδες των ομολόγων χρωμοσωμάτων, με αποτέλεσμα να εισέρχονται γονίδια στους γαμέτες σε συνδυασμούς που διαφέρουν από τους συνδυασμούς που υπήρχαν στους γονείς (Εικ. 12.12). Τέτοιου είδους ανταλλαγές παρατηρούνται κατά τη μείωση στα περισσότερα ζώα και φυτά που έχουν μελετηθεί.

Το φαινόμενο του ανασυνδυασμού δίνει ένα μέτρο της απόστασης μεταξύ των γονιδίων - όσο πιο κοντά

βρίσκονται δύο γονίδια τόσο μικρότερο ποσοστό ανασυνδυασμένων γονοτύπων παρατηρείται και το αντίστροφο. Στο παράδειγμα της διασταύρωσης στη Drosophila που προηγήθηκε, παρατηρήστε ότι η συχνότητα ανασυνδυασμού είναι 17% (βλέπε Εικ. 12.12). Η έκταση του ανασυνδυασμού μεταξύ δύο ή περισσοτέρων γονιδίων μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως η απόσταση των γονιδίων σε ένα χάρτη, που μπορεί να κατασκευαστεί με χρήση των αποτελεσμάτων του ανασυνδυασμού. Η ανακάλυψη του φαινομένου του ανασυνδυασμού έδωσε μεγάλη ώθηση στη μελέτη των φαινομένων της κληρονομικότητας καθώς επέτρεψε τη «χαρτογράφηση» των γονιδίων επάνω στο κάθε χρωμόσωμα και τον καθορισμό των σχετικών θέσεων και αποστάσεών τους πάνω σε αυτό.

- 158 -

Εικόνα 12.12 – Α) Το φαινόμενο του ανασυνδυασμού ως ερμηνεία των αποτελεσμάτων μιας διασταύρωσης στη Drosophila ( AaBb x aabb) που μελέτησε η ερευνητική ομάδα του Morgan. (Β) Λόγω του ανασυνδυασμού που παρατηρείται κατά τη σύναψη των ομολόγων χρωμοσωμάτων στην πρόφαση Ι της μείωσης Ι, το θηλυκό άτομο στην παραπάνω διασταύρωση παράγει τέσσερις διαφορετικούς γαμέτες. 1.7. Πολλαπλά αλληλόμορφα Στα διπλοειδή κύτταρα, ο αριθμός των αλληλομόρφων κάθε γονιδίου που φέρουν τα χρωμοσώματα στον πυρήνα είναι το πολύ δύο. Ωστόσο, ο περιορισμός αυτός δεν ισχύει σε επίπεδο πληθυσμών, όπου ο αριθμός των αλληλομόρφων ενός γονιδίου μπορεί να είναι μεγαλύτερος (πολλαπλά αλληλόμορφα), πράγμα που σημαίνει ότι το χαρακτηριστικό μπορεί να εκφράζεται με πολλούς και διάφορους τρόπους.

Τα πολλαπλά αλληλόμορφα μπορεί να αλλάξουν τις αναλογίες των νόμων του Μέντελ επειδή δημιουργούν πολλά είδη φαινοτύπων λόγω των διαφορετικών συνδυασμών που γίνονται. Στον άνθρωπο, για παράδειγμα, πολλά γονίδια που ευθύνονται για τη δημιουργία ασθενειών έχουν πολλαπλά αλληλόμορφα γονίδια, όπως συμβαίνει στη β-θαλασσαιμία, με αποτέλεσμα να εμφανίζεται η ίδια ασθένεια με διαφορετική μορφή. Ένα κλασικό παράδειγμα πολλαπλών αλληλομόρφων είναι αυτά που καθορίζουν τις ομάδες αίματος του ανθρώπου στο σύστημα ΑΒΟ (Εικ. 12.13).

Εικόνα 12.13 – Το σύστημα ΑΒΟ των ομάδων αίματος του ανθρώπου.

- 159 -

1.7.1. Το σύστημα ΑΒΟ των ομάδων αίματος Στο σύστημα ΑΒΟ υπάρχουν τέσσερις ομάδες αίματος (δηλαδή τέσσερις φαινότυποι), η Α, η Β, η ΑΒ και η Ο, οι οποίες προσδιορίζονται από το εάν στη μεμβράνη των ερυθρών αιμοσφαιρίων υπάρχουν ή όχι δύο αντιγόνα επιφανείας, το αντιγόνο Α και το αντιγόνο Β (Εικ. 12.13). Η παρουσία των αντιγόνων αυτών, και καθ’ επέκταση οι ομάδες αίματος, καθορίζονται από τρία αλληλόμορφα ενός γονιδίου: τα ΙΑ, ΙΒ (που είναι συνεπικρατή ή συνυπερέχοντα) και το i (που είναι υπολειπόμενο).

Κάθε άτομο μπορεί να έχει οποιαδήποτε δύο από τα αλληλόμορφα αυτά, αλλά μόνο δύο. Έτσι, οι πιθανοί γονοτυπικοί συνδυασμοί που προκύπτουν είναι οι εξής: ΙΑΙΑ, ΙΒΙΒ, ΙΑi, ΙΒi, ΙΑΙΒ και ii. Άτομα με γονοτύπους ΙΑΙΑ και ΙΑi φέρουν το αντιγόνο Α στην επιφάνεια των ερυθροκυττάρων τους, αντίσωμα αντι-Β στο πλάσμα του αίματός τους και ανήκουν στην ομάδα αίματος Α. Αναλόγως, άτομα με γονοτύπους ΙΒΙΒ και ΙΒi φέρουν το αντιγόνο Β στην επιφάνεια των ερυθροκυττάρων τους, αντίσωμα αντι-Α στο πλάσμα και ανήκουν στην ομάδα αίματος Β. Ο γονότυπος ΙΑΙΒ καθορίζει την ομάδα αίματος ΑΒ και τα άτομα μ’ αυτό το γονότυπο φέρουν τόσο το αντιγόνο Α όσο και το αντιγόνο Β στα ερυθροκύτταρά τους, αλλά καθόλου αντι-Α και αντι-Β αντισώματα στο πλάσμα. Δηλαδή, στους ετεροζυγώτες ΙΑΙΒ εκφράζονται και τα δύο αλληλόμορφα στον φαινότυπο (φαινόμενο συνυπεροχής). Τέλος, άτομα με γονότυπο ii δεν έχουν αντιγόνα στα ερυθροκύτταρα, αλλά και τα δύο αντισώματα (αντι-Α και αντι-Β) στο πλάσμα, και ανήκουν στην ομάδα Ο (Εικ. 12.13).

Εάν ερυθρά αιμοσφαίρια που φέρουν ένα αντιγόνο στην επιφάνειά τους βρεθούν σε πλάσμα με το αντίστοιχο αντίσωμα, τότε θα συγκολληθούν μεταξύ τους και θα καταστραφούν. Αυτό καθορίζει και τη συμβατότητα μεταξύ των ομάδων αίματος. Έτσι, άτομα από τις ομάδες Α ή Β μπορούν να πάρουν αίμα από τη δική τους ομάδα ή από την ομάδα Ο που δεν έχει αντιγόνα στα ερυθρά αιμοσφαίρια (η ποσότητα των αντισωμάτων αντι-Α και αντι-Β που μεταβιβάζονται σε αυτή την περίπτωση δεν είναι αρκετή για να προκαλέσει συγκόλληση των ερυθροκυττάρων του δέκτη). Άτομα της ομάδας ΑΒ μπορούν να δεχθούν αίμα από όλες της ομάδες, μιας και δεν έχουν καθόλου αντισώματα στο πλάσμα τους, γι’ αυτό και είναι γνωστά ως πανδέκτες. Αντιθέτως, άτομα της ομάδας Ο, επειδή έχουν και τα δύο αντισώματα αλλά κανένα αντιγόνο, μπορούν να δώσουν αίμα σε όλες τις άλλες ομάδες (πανδότες), αλλά να δεχθούν αίμα μόνο από άτομα με την ίδια ομάδα αίματος.

Επειδή η ομάδα αίματος καθορίζεται γενετικά, οι πιθανές ομάδες αίματος των απογόνων ενός γάμου

μπορεί να προβλεφθούν αν είναι γνωστές οι ομάδες αίματος και των δύο γονέων. Η συχνότητα μερικών ομάδων αίματος ανάμεσα σ' αυτούς τους απογόνους μπορεί επίσης να αποκλειστεί, γεγονός που μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε ορισμένες περιπτώσεις για δικαστικούς λόγους, όπως π.χ. για τον αποκλεισμό της πατρότητας. Έτσι, ένας άνδρας με ομάδα αίματος Ο δεν μπορεί να θεωρηθεί πατέρας ενός παιδιού με ομάδα αίματος ΑΒ, ανεξάρτητα από την ομάδα αίματος της μητέρας, αφού όλα τα σπερματοζωάριά του θα φέρουν το υπολειπόμενο αλληλόμορφο i, το οποίο δεν προκαλεί σχηματισμό αντιγόνου. Στον Πίνακα 12.1 παρουσιάζονται οι δυνατοί φαινότυποι (ομάδες αίματος) των απογόνων για όλους τους πιθανούς συνδυασμούς ομάδων αίματος των γονιών και ταυτοχρόνως, οι περιπτώσεις όπου είναι δυνατός ο αποκλεισμός ορισμένων ομάδων αίματος. Είναι προφανές πως, με το σύστημα ΑΒΟ δεν είναι δυνατός πάντοτε ο πλήρης αποκλεισμός και ποτέ ο καθορισμός του ποιος είναι ο γονιός ενός παιδιού. Αν, για παράδειγμα, πατέρας και γιός έχουν την ίδια ομάδα αίματος Α δεν σημαίνει πως συνδέονται και βιολογικά, αφού ένας πολύ μεγάλος αριθμός ατόμων στον πληθυσμό έχει επίσης την ίδια ομάδα αίματος. Υπάρχει πάντως η δυνατότητα, αν χρησιμοποιηθούν και άλλα συστήματα ομάδων αίματος και ενζυμικών συστημάτων που ελέγχονται από άλλα πολλαπλά αλληλόμορφα, να πλησιάσει κανείς πάρα πολύ στη βεβαιότητα για το εάν είναι ή δεν είναι κάποιος o γονιός ενός παιδιού.

Γάμος Απόγονοι Αποκλείεται απόγονος της ομάδας Ομάδες Γονότυποι Ομάδες Γονότυποι

Α x Α ΙΑΙΑ x ΙΑΙΑ Α ΙΑΙΑ Β, ΑΒ, Ο

Α x Α ΙΑi x ΙΑi Α, Ο ΙΑΙΑ, ΙΑi, ii Β, ΑΒ Α x Α ΙΑΙΑ x ΙΑi Α ΙΑΙΑ, ΙΑi Β, ΑΒ, Ο Β x Β ΙΒΙΒ x ΙΒΙΒ Β ΙΒΙΒ Α, ΑΒ, Ο Β x Β ΙΒi x ΙΒi Β, Ο ΙΒΙΒ, ΙΒi, ii Α, ΑΒ Β x Β ΙΒΙΒ x ΙΒi Β ΙΒΙΒ, ΙΒi Α, ΑΒ, Ο

- 160 -

Α x Β ΙΑΙΑ x ΙΒΙΒ ΑΒ ΙΑΙΒ Α, Β, Ο Α x Β ΙΑΙΑ x ΙΒi Α, ΑΒ ΙΑi, ΙΑΙΒ Β, Ο Α x Β ΙΑi x ΙΒΙΒ Β, ΑΒ ΙΒi, ΙΑΙΒ Α, Ο Α x Β ΙΑi x ΙΒi Α, Β, ΑΒ, Ο ΙΑi, ΙΒi, ΙΑΙΒ, ii Κανένας ΑΒ x ΑΒ ΙΑΙΒ x ΙΑΙΒ Α, Β, ΑΒ ΙΑΙΑ, ΙΒΙΒ, ΙΑΙΒ Ο Α x ΑΒ ΙΑΙΑ x ΙΑΙΒ Α, ΑΒ ΙΑΙΑ, ΙΑΙΒ Β, Ο Α x ΑΒ ΙΑi x ΙΑΙΒ Α, Β, ΑΒ ΙΑΙΑ, ΙΑi, ΙΒi, ΙΑΙΒ Ο Β x ΑΒ ΙΒΙΒ x ΙΑΙΒ Β, ΑΒ ΙΒΙΒ, ΙΑΙΒ Α,Ο Β x ΑΒ ΙΒi x ΙΑΙΒ Α, Β, ΑΒ ΙΑi, ΙΒΙΒ, ΙΒi, ΙΑΙΒ Ο Ο x Ο ii x ii Ο Ii Α, Β, ΑΒ Ο x Α ii x ΙΑΙΑ Α ΙΑi Β, ΑΒ, Ο Ο x Α ii x ΙΑi Α, Ο ΙΑi, ii Β, ΑΒ Ο x Β ii x ΙΒΙΒ Β ΙΒi Α, ΑΒ, Ο Ο x Β ii x ΙΒi Β, Ο ΙΒi, ii Α, ΑΒ Ο x ΑΒ ii x ΙΑΙΒ Α, Β ΙΑi, ΙΒi ΑΒ, Ο

Πίνακας 12.1 – Πιθανοί συνδυασμοί ομάδων αίματος σε διάφορους γάμους και ομάδες αίματος των απογόνων αυτών των γάμων. 1.7.2. Ο παράγοντας Rhesus Ένα άλλο σύστημα αντιγόνων που αναγνωρίστηκε στην επιφάνεια των ερυθροκυττάρων της πλειοψηφίας του ανθρώπινου πληθυσμού είναι το σύστημα του παράγοντα Rhesus (τα αντιγόνα οφείλουν το όνομά του στον πίθηκο rhesus, όπου πρωτοαναγνωρίστηκαν). Υπάρχει ένας αριθμός διαφορετικών αντιγόνων σ’ αυτήν την ομάδα, αλλά μόνο ένας διακρίνεται λόγω της σημασίας του από ιατρικής πλευράς. Αυτό το Rh αντιγόνο ορίζεται ως D και εάν εμφανίζεται στα ερυθροκύτταρα ενός ατόμου αυτό χαρακτηρίζεται ως Rhesus θετικό (Rh+), ενώ αν απουσιάζει ως Rhesus αρνητικό (Rh-). Από τους δύο φαινοτύπους ο πιο συχνός είναι ο Rh+, με ποσοστό 85% στους Καυκάσιους πληθυσμούς.

Άτομα με Rh- φαινότυπο, τα οποία εκτίθενται με κάποιο τρόπο σε αίμα από άτομα Rh+ (π.χ. μετά από μετάγγιση αίματος ή κατά τον τοκετό, οπότε μία Rh- μητέρα μπορεί να εκτεθεί στα αντιγόνα Rh ενός Rh+ εμβρύου), ευαισθητοποιούνται και παράγουν αντισώματα ενάντια στα Rh+ ερυθρά αιμοσφαίρια (αντι-Rh+) και όταν εκτεθούν ξανά σε Rh+ αίμα τότε καταστρέφουν τα Rh+ ερυθροκύτταρα. Αυτή η ευαισθητοποίηση των Rh- ατόμων αποκτά κρίσιμη σημασία αν έχει γίνει σε γυναίκες που μένουν έγκυες για δεύτερη φορά και το παιδί τυχαίνει να είναι πάλι Rh+. Στην περίπτωση αυτή, υπάρχει μεγάλη πιθανότητα να περάσουν μέσω του πλακούντα αντισώματα (αντι-Rh+) στο αίμα του εμβρύου, οπότε δημιουργείται μια κατάσταση αιμολυτικού ίκτερου και αναιμίας, γνωστής ως εμβρυική ερυθροβλάστωση, που μερικές φορές καταλήγει στο θάνατο του νεογνού αν δεν γίνει άμεση αλλαγή όλου του αίματος με μαζική μετάγγιση. Προφανώς το πρόβλημα δεν υφίσταται αν η μητέρα είναι Rh+ και το παιδί Rh-, αφού στην περίπτωση αυτή το αίμα του παιδιού δεν προκαλεί το σχηματισμό αντισωμάτων στη μητέρα. Η εμβρυική ερυθροβλάστωση προλαμβάνεται πλέον με χορήγηση στην Rh- μητέρα ενδοφλέβιου παρασκευάσματος αντισωμάτων κατά του παράγοντα Rhesus. Πρόκειται για έναν τύπο παθητικής ανοσοποίησης, κατά την οποία η έγχυση των αντισωμάτων αδρανοποιεί τα αντιγόνα Rh, εμποδίζοντας με τον τρόπο αυτό την ενεργητική ανοσοποίηση της μητέρας σε αυτά.

Αρχικά θεωρήθηκε ότι το σύστημα Rhesus κληρονομείται ως σύστημα ενός επικρατούς και ενός

υπολειπόμενου αλληλομόρφου (R και r), όπου η ύπαρξη του R (γονότυποι RR και Rr) καθόριζε τον φαινότυπο Rh+, ενώ ο γονότυπος rr καθόριζε τον Rh-. Νεώτερα, ωστόσο, δεδομένα έχουν οδηγήσει σε δύο τύπους εξηγήσεων, από τους οποίους ο ένας δέχεται την ύπαρξη πολλαπλών αλληλομόρφων, ενώ ο άλλος την ύπαρξη τριών ζευγαριών γονιδίων (με δύο αλληλόμορφα το καθένα), που είναι υπεύθυνα για την έκφραση του παράγοντα Rhesus. Γενικά πάντως, για πρακτικούς σκοπούς, εφαρμόζεται το απλό σύστημα υπεροχής-υποτέλειας.

- 161 -

1.8. Πολυγονιδιακή κληρονομικότητα – προσθετικά γονίδια Ο Μέντελ μελέτησε γενετικούς χαρακτήρες στο μοσχομπίζελο (π.χ. το χρώμα του άνθους) που καθορίζονται από ένα ζευγάρι αλληλόμορφων γονιδίων, η έκφραση των οποίων κατέληγε σε ευδιάκριτους φαινοτύπους (π.χ. φυτά με μωβ και φυτά με λευκά άνθη). Ωστόσο, υπάρχουν πολλά χαρακτηριστικά, όπως π.χ. το ύψος και το χρώμα του δέρματος στον άνθρωπο, που εμφανίζουν μία συνεχή διακύμανση ανάμεσα στα διάφορα άτομα ενός πληθυσμού (π.χ. κάποιος μπορεί να είναι πολύ κοντός, κοντός, μετρίου αναστήματος, ψηλός, πολύ ψηλός κ.ο.κ.). Τέτοιου είδους ποσοτικοί χαρακτήρες ελέγχονται συνήθως από περισσότερα από ένα διαφορετικά γονίδια και στις περιπτώσεις αυτές χρησιμοποιείται ο όρος πολυγονιδιακή κληρονομικότητα. Γονίδια που ελέγχουν ποσοτικούς χαρακτήρες ονομάζονται συμβάλλοντα ή προσθετικά, επειδή θεωρούνται ότι συνεργάζονται προσθετικά για την εκδήλωση π.χ. του ύψους.

Το χρώμα του δέρματος στον άνθρωπο, για παράδειγμα, θεωρείται ότι ελέγχεται από τρία τουλάχιστον γονίδια (πιθανώς συμβάλλουν πολύ περισσότερα αλλά για χάρη ευκολίας θεωρήστε μόνο τρία). Έστω ότι τα αλληλόμορφα Α, Β και C των τριών γονιδίων που ελέγχουν το χρώμα του δέρματος συνεισφέρουν το καθένα από ένα «βαθμό σκουρότητας», ενώ τα αλληλόμορφά τους, που συμβολίζονται με a, b και c, είναι ουδέτερα. Ένα άτομο με γονότυπο ΑABBCC θα έχει πολύ σκούρο δέρμα, ένα άτομο με γονότυπο aabbcc θα είναι ανοιχτόχρωμο, ενώ ένα άτομο με γονότυπο AaBbCc θα έχει έναν ενδιάμεσο φαινότυπο. Επιπρόσθετα, άτομα με γονότυπο AaBbCc ή AABbcc θα είναι το ίδιο σκουρόχρωμα αφού τα γονίδια συνεργάζονται προσθετικά για την εκδήλωση του χρώματος στο δέρμα. Περιβαλλοντικοί παράγοντες πάντως, όπως η έκθεση στον ήλιο, συνεισφέρουν συνήθως στον τελικό καθορισμό κάποιου ποσοτικού χαρακτήρα. 1.9. Αλληλεπίδραση περιβάλλοντος και γενετικού υλικού Η κληρονομικότητα προσδιορίζει τι είναι δυνατόν να γίνει ένας οργανισμός αλλά όχι τι θα γίνει τελικά. Το τι θα γίνει ένας οργανισμός εξαρτάται τόσο από το γενετικό του υπόβαθρο όσο και από το περιβάλλον του. Για παράδειγμα, το ύψος στον άνθρωπο εξαρτάται και από τη διατροφή του, το χρώμα του δέρματος από την έκθεση στον ήλιο, ο βαθμός ευφυΐας (IQ) επηρεάζεται από την εμπειρία και τη μάθηση. Ακόμη και τα μονοζυγωτικά δίδυμα, που έχουν την ίδια γονιδιακή συγκρότηση, εκδηλώνουν συχνά πολύ διαφορετικούς χαρακτήρες ως αποτέλεσμα των μοναδικών εμπειριών που έχει το καθένα.

Είναι όμως το γενετικό υπόβαθρο ή το περιβάλλον πιο σημαντικό στη διαμόρφωση των τελικών χαρακτηριστικών ενός οργανισμού; Μερικά κληρονομικά χαρακτηριστικά, όπως π.χ. ο τύπος του αίματος και το χρώμα των ματιών στον άνθρωπο, δεν φαίνεται να επηρεάζονται από το περιβάλλον. Οι επιδράσεις του περιβάλλοντος είναι, σε γενικές γραμμές, πιο εμφανείς όταν εξετάζονται πολυγονιδιακοί χαρακτήρες. Σε άλλους πάλι οργανισμούς, μερικά χαρακτηριστικά έχει βρεθεί ότι εκφράζονται μόνο κάτω από ορισμένες περιβαλλοντικές συνθήκες. Η Drosophila, για παράδειγμα, είναι δυνατόν να έχει το κληρονομικό χαρακτηριστικό για αναδιπλωμένα πτερύγια. Η έκφραση αυτού του χαρακτηριστικού επηρεάζεται από τη θερμοκρασία στην οποία αναπτύσσεται. Άτομα με αναδιπλωμένα πτερύγια παράγουν όμοια άτομα μόνο όταν αναπτύσσονται στους 22ο C. Οι ίδιες μύγες, όμως, θα έχουν φυσιολογικά ίσια πτερύγια αν αναπτυχθούν σε θερμοκρασία 27ο C ή 32ο C. Το φυτό Primula, πάλι, παράγει λευκά άνθη όταν καλλιεργείται σε θερμοκρασία 30ο C, αλλά κόκκινα άνθη όταν καλλιεργείται σε θερμοκρασία μικρότερη των 30ο C.

Είναι προφανές ότι δεν είναι δυνατόν να δοθεί συγκεκριμένη απάντηση στο παραπάνω ερώτημα. Μπορούμε όμως να πούμε ότι οι δύο δυνάμεις, γενετικό υπόβαθρο και περιβάλλον, εργαζόμενες μαζί προσδιορίζουν το τελικό αποτέλεσμα. 1.10. Γενετικές ασθένειες στον άνθρωπο Όλο και περισσότερες ασθένειες αναγνωρίζονται σήμερα ως γενετικές και αποδίδονται στην ανώμαλη δομή ή λειτουργία μεταλλαγμένων γονιδίων. Μέχρι στιγμής, περισσότερες από 4.000 ασθένειες έχουν συσχετιστεί με την ύπαρξη γενετικών ανωμαλιών, πολλές από τις οποίες εξακολουθούν να αποτελούν την κύρια αιτία της βρεφικής θνησιμότητας. Οι γενετικές ασθένειες κληρονομούνται είτε ως επικρατή είτε ως υπολειπόμενα χαρακτηριστικά.

- 162 -

Σε ορισμένους οργανισμούς, όπως για παράδειγμα στο μοσχομπίζελο που χρησιμοποίησε ο Μέντελ στα πειράματά του, είναι σχετικά εύκολο να μελετηθεί ο τρόπος μεταβίβασης των κληρονομικών χαρακτήρων, αφού οι οργανισμοί αυτοί προσφέρονται για τεχνητή γονιμοποίηση, αλλά και για αυτογονιμοποίηση, παρέχοντας τη δυνατότητα παρατήρησης μεγάλου αριθμού απογόνων σε σύντομο χρονικό διάστημα. Προφανώς, κάτι ανάλογο δεν είναι εφικτό όταν εξετάζεται ο τρόπος μεταβίβασης των κληρονομικών χαρακτήρων (δηλαδή ο τύπος της κληρονομικότητας) στον άνθρωπο. Στην περίπτωση αυτή, συλλέγονται πληροφορίες από το ιστορικό μιας οικογένειας για ένα ορισμένο χαρακτήρα που αναπαριστώνται σε ένα γενεαλογικό δένδρο (μια διαγραμματική, δηλαδή, απεικόνιση των μελών μιας οικογένειας για πολλές γενιές, στην οποία αναπαριστώνται οι γάμοι, η σειρά των γεννήσεων, το φύλο των ατόμων και ο φαινότυπός τους σε σχέση με κάποιο συγκεκριμένο χαρακτήρα), από το οποίο είναι δυνατόν να εξαχθούν συμπεράσματα σχετικά με τον τρόπο κληρονόμησης του χαρακτήρα που εξετάζεται.

Παρατηρήστε τις δύο παρακάτω απλές διαγραμματικές απεικονίσεις των μελών μιας οικογένειας προκειμένου να κατανοήσετε τον τύπο της κληρονομικότητας μίας γενετικής ασθένειας στον άνθρωπο, αν, δηλαδή, αυτή κληρονομείται ως επικρατές ή ως υπολειπόμενο χαρακτηριστικό (Εικ. 12.14). Αν η ασθένεια οφείλεται σε ένα μεταλλαγμένο αλληλόμορφο που βρίσκεται επάνω σε κάποιο από τα 22 διαφορετικά αυτοσωματικά χρωμοσώματα (όχι δηλαδή στα φυλετικά Χ και Υ χρωμοσώματα, βλέπε Άσκηση 13), τότε λέμε ότι η ασθένεια αυτή είναι αυτοσωματική. Αν το μεταλλαγμένο αυτό αλληλόμορφο είναι επικρατές, η ασθένεια είναι επικρατής αυτοσωματική. Αν το αλληλόμορφο είναι υπολειπόμενο, τότε πρόκειται για υπολειπόμενη αυτοσωματική ασθένεια.

Εικόνα 12.14 – Διαγραμματική απεικόνιση του τρόπου κληρονόμησης μίας ασθένειας. Υπολειπόμενη αυτοσωματική κληρονομικότητα (Α), επικρατής αυτοσωματική κληρονομικότητα (Β).

Στα παραπάνω διαγράμματα, τα θηλυκά άτομα απεικονίζονται με τον κύκλο, ενώ τα αρσενικά άτομα

με το τετράγωνο. Τα μαύρα τετράγωνα υποδηλώνουν άτομα που πάσχουν από την ασθένεια. Σε ποιά από τις δύο περιπτώσεις πιστεύετε ότι η ασθένεια κληρονομείται ως επικρατής χαρακτήρας και σε ποιά ως υπολειπόμενος;

Στην πρώτη περίπτωση (Α), ο γιος του ζευγαριού πάσχει από την ασθένεια αλλά και οι δύο γονείς του είναι φυσιολογικοί. Αυτό υποδεικνύει ότι η ασθένεια κληρονομείται ως υπολειπόμενο χαρακτηριστικό. Προφανώς και οι δύο γονείς είναι φορείς του αλληλομόρφου για την ασθένεια (ετεροζυγώτες), και έχουν μία στις τέσσερις (25%) πιθανότητα να αποκτήσουν παιδί που θα πάσχει. Ποιά είναι η πιθανότητα ο αδελφός αυτού του παιδιού να πάσχει επίσης από την ασθένεια; Ποιά είναι η πιθανότητα να είναι φορέας;

Στη δεύτερη περίπτωση (Β), τόσο ο γιος όσο και ο πατέρας του πάσχουν από την ασθένεια. Στην κλασική αυτοσωματική επικρατή κληρονομικότητα, ο ένας, τουλάχιστον, από τους δύο γονείς ενός παιδιού που πάσχει είναι ασθενής. Από τα δύο, δηλαδή, διαγράμματα, το δεύτερο υποδηλώνει ότι η ασθένεια κληρονομείται ως επικρατές χαρακτηριστικό. Κάθε απόγονος των δύο γονιών στη συγκεκριμένη περίπτωση έχει 50% πιθανότητα να κληρονομήσει το επικρατές αλληλόμορφο που σχετίζεται με την ασθένεια από τον ασθενή γονέα, όποτε να πάσχει, καθώς και 50% πιθανότητα να κληρονομήσει το φυσιολογικό υπολειπόμενο αλληλόμορφο και να είναι φυσιολογικός.

Παρατηρήστε, ωστόσο, ότι μόνο από το απλό αυτό διάγραμμα δεν είναι δυνατόν να βγάλουμε ασφαλές συμπέρασμα για το αν η ασθένεια κληρονομείται ως επικρατές ή υπολειπόμενο χαρακτηριστικό, αφού αν το αλληλόμορφο για την ασθένεια ήταν υπολειπόμενο και ο πατέρας πάσχει επειδή είναι ομοζυγώτης ως προς το αλληλόμορφο αυτό, ενώ η μητέρα είναι φυσιολογική αλλά ετεροζυγώτης, πάλι μπορούν να αποκτήσουν παιδί που θα πάσχει. Η συμπλήρωση του γενεαλογικού δένδρου με τα μέλη προγενέστερων και μεταγενέστερων γενεών θα μπορούσε πάντως να οδηγήσει στην εξαγωγή ασφαλών συμπερασμάτων.

- 163 -

1.10.1. Αυτοσωματική υπολειπόμενη κληρονομικότητα

Σημαντικό ποσοστό από τις ασθένειες που έχουν μελετηθεί στον άνθρωπο ελέγχονται από αυτοσωματικά υπολειπόμενα γονίδια.

Η κυστική ίνωση, για παράδειγμα, είναι μια αυτοσωματική υπολειπόμενη ασθένεια που αποτελεί τη συχνότερη θανατηφόρο γενετική ασθένεια της Καυκάσιας φυλής, με συχνότητα 1 στα 2.000 άτομα, περίπου. Στην ασθένεια αυτή, είναι ελαττωματικός ο μηχανισμός μεταφοράς υγρών διαμέσου των μεμβρανών, με αποτέλεσμα να αποφράσσονται διάφοροι σωλήνες ή αγωγοί των πνευμόνων, των εντέρων και των αναπαραγωγικών πόρων, με τις σοβαρότερες επιπλοκές να δημιουργούνται κατά κανόνα στους πνεύμονες, οδηγώντας συχνά σε θάνατο από πνευμονική ανεπάρκεια. Προκειμένου να εκφραστεί αυτή η υπολειπόμενη νόσος πρέπει το άτομο να κληρονομήσει το μεταλλαγμένο γονίδιο (που εντοπίζεται στο χρωμόσωμα 7) και από τους δύο γονείς του. Όσα άτομα είναι ετερόζυγα, και επομένως έχουν ένα μόνο μεταλλαγμένο αλληλόμορφο, δεν εμφανίζουν συμπτώματα της νόσου επειδή ένα και μόνο αντίτυπο του φυσιολογικού αλληλόμορφου αρκεί για να διατηρείται φυσιολογική η μεταφορά υγρών μέσω των επιθηλιακών μεμβρανών. Τα άτομα όμως αυτά είναι φορείς που μπορεί να μεταβιβάσουν το μεταλλαγμένο αλληλόμορφο γονίδιο στους απογόνους τους.

Η φαινυλκετονουρία (PKU) είναι μία ακόμη αυτοσωματική υπολειπόμενη ασθένεια με συχνότητα 1 στα 10.000 άτομα (πιο σπάνια, δηλαδή, από την κυστική ίνωση). Τα άτομα που πάσχουν από την ασθένεια αυτή δεν συνθέτουν ένα ένζυμο απαραίτητο στο μεταβολισμό του αμινοξέος φαινυλαλανίνη, με αποτέλεσμα να ανιχνεύονται στα ούρα αυξημένα επίπεδα ενός παραπροϊόντος της αποικοδόμησης της φαινυλαλανίνης, της φαινυλκετόνης. Όλα τα νεογέννητα παιδιά ελέγχονται σήμερα για την ασθένεια αυτή και όσα αδυνατούν να συνθέσουν το απαραίτητο ένζυμο ακολουθούν δίαιτα χαμηλή σε φαινυλαλανίνη. Η αγωγή αυτή συνεχίζεται μέχρι την πλήρη ανάπτυξη του εγκεφάλου του παιδιού, καθώς διαφορετικά υπάρχει σοβαρός κίνδυνος νοητικής καθυστέρησης. Έγκυες γυναίκες που πάσχουν από φαινυλκετονουρία πρέπει απαραιτήτως να προσαρμόζουν τη δίαιτά τους κατά τη διάρκεια της κύησης προκειμένου να περιοριστεί ο κίνδυνος απόκτησης μη φυσιολογικού παιδιού (παιδιά με μικρό κεφάλι και σοβαρού βαθμού νοητική καθυστέρηση).

Άλλες γνωστές ασθένειες που κληρονομούνται ως αυτοσωματικά υπολειπόμενα χαρακτηριστικά είναι

ο αλφισμός (που οφείλεται στην έλλειψη ενός ενζύμου απαραίτητου για τη σύνθεση της χρωστικής μελανίνης), η δρεπανοπκυτταρική αναιμία και οι β-θαλασσαιμίες (παραγωγή μη φυσιολογικών τύπων αιμοσφαιρίνης), η γαλακτοζαιμία (συσσώρευση γαλακτόζης στο ήπαρ και νοητική καθυστέρηση), καθώς και πολλές άλλες. 1.10.2. Αυτοσωματική επικρατής κληρονομικότητα

Πολλές από τις ασθένειες που έχουν μελετηθεί στον άνθρωπο ελέγχονται από αυτοσωματικά επικρατή γονίδια.

Η οικογενής υπερχοληστερολαιμία, για παράδειγμα, είναι μία επικρατής αυτοσωματική ασθένεια που επηρεάζει 1 στα 500 άτομα. Αυτά τα άτομα χαρακτηρίζονται από αυξημένη συγκέντρωση χοληστερόλης στο πλάσμα εξαιτίας κάποιας μετάλλαξης που έχει υποστεί μια πρωτεΐνη της πλασματικής μεμβράνης των κυττάρων (υποδοχέας), η οποία αποτελεί τμήμα του μηχανισμού απομάκρυνσης της χοληστερόλης από το αίμα. Το αποτέλεσμα είναι ότι τα άτομα αυτά διατρέχουν αυξημένο κίνδυνο ανάπτυξης καρδιακών νόσων. Η κληρονόμηση ενός και μόνο μεταλλαγμένου γονιδίου αυτής της πρωτεΐνης από τον πατέρα ή τη μητέρα αρκεί για να προκαλέσει αυτή την κατάσταση.

Άλλες γνωστές ασθένειες που κληρονομούνται με αυτοσωματικό επικρατή τρόπο είναι η νόσος του Huntigton (ασθένεια του κεντρικού νευρικού συστήματος, τα συμπτώματα της οποίας εμφανίζονται σε ηλικία 35-45 ετών), το σύνδρομο Marfan (ασθένεια του συνδετικού ιστού), η βραχυδακτυλία (μη φυσιολογικά-κοντά δάκτυλα), η πορφυρία (αδυναμία μεταβολισμού των πορφυρινών που παράγονται κατά την αποικοδόμηση της αιμοσφαιρίνης), καθώς και πολλές άλλες. 1.10.3. Χρωμοσωμικές – Πολυγονιδιακές ασθένειες Είναι βασικό να τονιστεί ότι στον άνθρωπο, τον Μεντελικό τύπο κληρονομικότητας ακολουθούν οι χαρακτήρες που καθορίζονται από αλληλόμορφα ενός μόνο γονιδίου. Αυτοί ονομάζονται μονογονιδιακοί χαρακτήρες και σε αυτούς περιλαμβάνονται διάφορες μονογονιδιακές ασθένειες, όπως η κυστική ίνωση και η οικογενής υπερχοληστερολαιμία που αναφέρθηκαν προηγουμένως.

- 164 -

Δύο άλλες αναγνωρισμένες κατηγορίες γενετικών νόσων είναι οι χρωμοσωμικές και οι πολυγονιδιακές ασθένειες, στις οποίες απαιτείται η έκφραση πολλών γονιδίων για να εμφανιστεί ο φαινοτυπικός χαρακτήρας.

Οι χρωμοσωμικές ασθένειες οφείλονται στην προσθήκη ή αφαίρεση ολόκληρων χρωμοσωμάτων, ή μεγάλων χρωμοσωμικών τμημάτων, κατά τη διάρκεια μείωσης του αριθμού των χρωμοσωμάτων από 46 σε 23 κατά τον σχηματισμό των γαμετών. Ένα κλασσικό παράδειγμα χρωμοσωμικής ασθένειας είναι το σύνδρομο Down (τρισωμία 21), στο οποίο το γονιμοποιημένο ωάριο περιέχει ένα επιπλέον αντίτυπο ή μετατόπιση του χρωμοσώματος 21 (Εικ. 12.15). Αυτή η ανωμαλία εμφανίζεται με συχνότητα 1 στις 800 γεννήσεις και χαρακτηρίζεται από υστέρηση στην ανάπτυξη και τις νοητικές λειτουργίες. Ορισμένες άλλες μορφές χρωμοσωμικών ανωμαλιών αποτελούν τις κυριότερες αιτίες αυθόρμητων εκτρώσεων και αποβολών.

Εικόνα 12.15 – Διαγραμματική απεικόνιση του καρυότυπου ενός ατόμου με σύνδρομο Down. Παρατηρήστε την τρισωμία στο χρωμόσωμα 21.

Οι πολυγονιδιακές ασθένειες οφείλονται στις αλληλεπιδράσεις μεταξύ πολλών μεταλλαγμένων γονιδίων. Καθένα από αυτά τα γονίδια δεν έχει παρά ελάχιστες ή και καθόλου επιπτώσεις από μόνο του, αλλά προκαλεί νόσο όταν συνυπάρχει μαζί με άλλα μεταλλαγμένα γονίδια. Αυτή η κατηγορία γενετικών ασθενειών ενέχεται στις περισσότερες μείζονες ασθένειες της σύγχρονης κοινωνίας, όπως είναι ο διαβήτης, η υπέρταση και τα καρδιαγγειακά νοσήματα.

2. Ερωτήσεις – Ασκήσεις 1. Σε ένα είδος φυτού το χρώμα του άνθους μπορεί να είναι λευκό ή κίτρινο. Από τη διασταύρωση φυτών με

κίτρινο χρώμα άνθους προέκυψαν 123 φυτά με κίτρινο χρώμα και 42 με λευκό. Πώς κληρονομείται το γνώρισμα και ποιοί οι πιθανοί γονότυποι των φυτών της πατρικής γενιάς;

2. Ποιά από τις ακόλουθες διασταυρώσεις περιγράφει τη διασταύρωση ατόμου ομόζυγου επικρατούς για

ωοειδές σχήμα νυχιών (W) και ετερόζυγου για το μήκος των δακτύλων (S) με άτομο υπολειπόμενο και για τα δύο χαρακτηριστικά; α) WwSs x WwSs β) WWSs x wwSs γ) Ws x ws δ) WWSs x wwss

3. Στους ανθρώπους τα λεπτά φρύδια (Β) είναι επικρατής χαρακτήρας έναντι των πυκνών φρυδιών (b). Η

μητέρα της Άννας έχει λεπτά φρύδια, αλλά αυτή και ο πατέρας της έχουν πυκνά. Ποιός είναι ο γονότυπος της μητέρας: BB, Bb ή bb; Εξηγήστε γιατί.

- 165 -

4. Στα χοιρίδια Γουϊνέας, το μαλακό τρίχωμα (S) είναι επικρατές στο σκληρό (s) και το μαύρο (B) είναι επικρατές στο λευκό (b). Στη διασταύρωση SsBb x SsBb, πόσοι απόγονοι θα έχουν μαλακό μαύρο τρίχωμα;

5. Από το γάμο μιας γυναίκας με καστανά μάτια με έναν άντρα με γαλανά μάτια, του οποίου και οι δύο γονείς

είχαν καστανά μάτια, γεννήθηκε παιδί με γαλανά μάτια. Να βρεθούν οι γονότυποι των ατόμων και να γίνει η διασταύρωση.

6. Δύο θηλυκοί μαύροι ποντικοί διασταυρώθηκαν χωριστά με λευκό ποντικό. Οι απόγονοι της 1ης

διασταύρωσης ήταν 12 μαύροι και 11 λευκοί ποντικοί, ενώ οι απόγονοι της 2ης διασταύρωσης ήταν 15 μαύροι. Ποιοί είναι οι πιθανοί γονότυποι των ποντικών; Να γίνουν οι δύο διασταυρώσεις.

7. Δύο θηλυκά ζώα με μαύρο τρίχωμα διασταυρώνονται χωριστά με ένα αρσενικό με καστανό τρίχωμα. Το

ένα από τα θηλυκά έδωσε 4 απογόνους με μαύρο τρίχωμα και 5 με καστανό. Το άλλο έδωσε 10 απογόνους με μαύρο τρίχωμα. Πώς κληρονομείται το χρώμα του τριχώματος;

8. Ένας καφέ ποντικός διασταυρώνεται πολλές φορές με έναν λευκό ποντικό και όλοι οι απόγονοί του είναι

καφέ. α) Αν διασταυρωθούν δύο από τους καφέ απογόνους της F1 γενιάς, ποιό ποσοστό από τους ποντικούς της F2 γενιάς θα είναι καφέ; β) Πώς μπορείτε να διαπιστώσετε αν ένας καφέ ποντικός είναι ομόζυγος ή ετερόζυγος;

9. Να υπολογιστεί το ποσοστό των ετεροζυγωτών για όλα τα γονίδια στους απογόνους της F1 γενιάς της

διασταύρωσης AaBb x AaBB.

10. Στις ντομάτες ο κόκκινος καρπός (R) είναι επικρατής στον κίτρινο καρπό (r) και το υψηλό φυτό (T) επικρατές στο κοντό φυτό (t). Ένα φυτό με γονότυπο RrTT διασταυρώνεται με ένα φυτό με γονότυπο rrTt. Ποιές είναι οι πιθανότητες οι απόγονοι να είναι: α) ετερόζυγοι και για τα δύο χαρακτηριστικά τους; β) όλοι οι απόγονοι να είναι ψηλά φυτά με κόκκινους καρπούς;

11. Στον άνθρωπο το καστανό χρώμα των ματιών (Β) είναι επικρατές στο γαλανό χρώμα (b). Επίσης, το μαύρο

χρώμα των μαλλιών (R) είναι κυρίαρχο στο κόκκινο (r). Ένας άνδρας με καστανά μάτια και κόκκινα μαλλιά παντρεύτηκε μία γυναίκα που είχε μαύρα μαλλιά και γαλανά μάτια και απόκτησαν δύο παιδιά, το ένα με καστανά μάτια και κόκκινα μαλλιά και το άλλο με μαύρα μαλλιά και γαλανά μάτια. Ποιοί είναι οι γονότυποι των γονέων;

12. Στο κινέζικο γαρύφαλλο υπάρχουν τρία αλληλόμορφα, τα Α1, Α2, και Α3, που ρυθμίζουν 3 τύπους κηλίδων

στα άνθη. Το πρώτο κάνει την κηλίδα του άνθους λευκή, το δεύτερο σκούρα μωβ και το τρίτο ανοικτή μωβ. Το Α1 αλληλόμορφο είναι επικρατές στα Α2 και Α3, ενώ το Α2 είναι επικρατές στο Α3. α) Αναφέρετε τους γονοτύπους που αντιστοιχούν σε κάθε φαινότυπο. β) Ένα φυτό με λευκή κηλίδα διασταυρώθηκε με ένα φυτό με σκούρα μωβ κηλίδα κα προέκυψαν 49 φυτά με λευκή κηλίδα, 24 φυτά με σκούρα μωβ και 25 φυτά με ανοικτή μωβ. Δώστε τους γονοτύπους. γ) Ένα φυτό με λευκή κηλίδα διασταυρώνεται με ένα φυτό με ανοικτή μωβ κηλίδα. Μπορούν να προκύψουν φυτά με σκούρα μωβ κηλίδα από αυτή τη διασταύρωση;

13. Ένα φυσιολογικό θηλυκό άτομο Drosophila (ετερόζυγο για το γκρίζο χρώμα σώματος και τις μακριές

πτέρυγες) διασταυρώνεται με ένα αρσενικό άτομο που έχει μαύρο σώμα και κοντές πτέρυγες. Από τη διασταύρωση των ατόμων αυτών βρέθηκαν στην F1 γενιά οι εξής απόγονοι: 778 με γκρίζο σώμα-μακριές πτέρυγες, 785 με μαύρο σώμα-κοντές πτέρυγες, 158 με γκρίζο σώμα-κοντές πτέρυγες και 162 με μαύρο σώμα- μακριές πτέρυγες. Ποιά είναι η συχνότητα ανασυνδυασμού μεταξύ των γονιδίων που ελέγχουν το χρώμα του σώματος και το μέγεθος των πτερύγων; Να δώσετε τους γονοτύπους των ατόμων και να γίνει η διασταύρωση.

14. Ένας πατέρας Α ομάδας αίματος και μία μητέρα Β ομάδας αίματος αποκτούν παιδί με ομάδα αίματος Ο.

Ποιοί είναι οι δυνατοί φαινότυποι (ομάδες αίματος) των αδελφών αυτού του παιδιού;

- 166 -

15. Σε ένα μαιευτήριο τη νύχτα γεννήθηκαν τέσσερα παιδιά που είχαν ομάδες αίματος Α, Β, ΑΒ και Ο. Στο πρώτο ζευγάρι και οι δύο γονείς ήταν ομάδας αίματος Ο. Στο δεύτερο ζευγάρι η μητέρα ήταν Ο και ο πατέρας Α. Στο τρίτο ζευγάρι η μητέρα ήταν Ο και ο πατέρας Β και στο τέταρτο ζευγάρι η μητέρα Β και ο πατέρας Α. Σε ποιό ζευγάρι ανήκει καθένα από τα παιδιά;

16. Από τα τρία παιδιά ενός ζευγαριού το ένα είναι το πραγματικό, το άλλο από τον προηγούμενο γάμο της

γυναίκας και το άλλο από τον προηγούμενο γάμο του άντρα. Δεδομένου ότι η ομάδα αίματος της γυναίκας είναι Ο, του άντρα της ΑΒ και των τριών παιδιών Ο, Β και ΑΒ, να βρεθεί ποιό από τα παιδιά είναι το πραγματικό, ποιό από τον προηγούμενο γάμο της γυναίκας και ποιό από τον προηγούμενο γάμο του άντρα.

17. Μία γυναίκα πάσχει από κυστική ίνωση. Είναι το μόνο άτομο στην οικογένεια με αυτή την ασθένεια. Ποιά

είναι η πιθανότητα να είναι φορείς: η μητέρα της, ο πατέρας της, η κόρη της, ο αδελφός της, το παιδί του αδελφού της;

18. Ο Γιάννης και η Μαρία είναι υγιείς, αλλά ξέρουν ότι είναι φορείς μιας αυτοσωματικής υπολειπόμενης

ασθένειας. Εάν τα τρία πρώτα παιδιά τους είναι υγιή, ποιά είναι η πιθανότητα το τέταρτο παιδί τους να κληρονομήσει την ασθένεια;

19. Παντρεύτηκε ένας άντρας που πάσχει από φαινυλκετονουρία (PKU, αυτοσωματική υπολειπόμενη

ασθένεια) με μία φυσιολογική γυναίκα. Η μητέρα της γυναίκας αυτής έπασχε από PKU ενώ ο πατέρας της ήταν φυσιολογικός. Τα παιδιά του ζευγαριού θα πάσχουν ή όχι;

20. Σε έναν πληθυσμό η συχνότητα της φαινυλκετονουρίας είναι 1/1000. Ποιά πιθανότητα υπάρχει αν πάρουμε

τυχαία ένα άτομο του πληθυσμού αυτού να είναι: α) κορίτσι με φαινυλκετονουρία; β) αγόρι με φαινυλκετονουρία; γ) φυσιολογικό αγόρι;

Συνιστώμενη βιβλιογραφία

1. Campbell, N. A., & Reece, J. B. (2010). Βιολογία. Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, Ηράκλειο Κρήτης. ISBN: 978-960-524-305-0.

2. Καστρίτσης, Κ. Δ. (1992). Εισαγωγή στη Βιολογία. Εκδοτικός οίκος Αδελφών Κυριακίδη, Θεσσαλονίκη. ISBN: 960-343-186-9.

3. Ηλιάδης, Β., & Οικονόμου, Θ. (2001). Μεθοδολογία και προβλήματα Βιολογίας. Εκδόσεις Ελληνικά Γράμματα, Αθήνα.