Biologie voor Majors I

verklaar complicaties bij de fenotypische expressie van genotype, inclusief mutaties

Mendels experimenten met erwtenplanten suggereerden het volgende:

  1. twee “eenheden” of allelen bestaan voor elk gen.
  2. allelen behouden hun integriteit in elke generatie (geen vermenging).
  3. in aanwezigheid van het dominante allel is het recessieve allel verborgen en levert het geen bijdrage aan het fenotype.

daarom kunnen recessieve allelen worden “gedragen” en niet door individuen worden uitgedrukt. Dergelijke heterozygote individuen worden soms aangeduid als ” dragers.”Verdere genetische studies bij andere planten en dieren hebben aangetoond dat er veel meer complexiteit bestaat, maar dat de fundamentele principes van Mendeliaanse genetica nog steeds gelden. In de volgende paragrafen beschouwen we enkele uitbreidingen van het Mendelisme. Als Mendel een experimenteel systeem had gekozen dat deze genetische complexiteiten vertoonde, was het mogelijk dat hij niet zou hebben begrepen wat zijn resultaten betekenden.

leerdoelen

  • Leg uit hoe een eigenschap met onvolledige dominantie zal verschijnen in een populatie
  • Leg uit hoe een eigenschap met codominant erfenis zal verschijnen in een populatie
  • Leg uit hoe een eigenschap met sex-linkage zal verschijnen in een populatie
  • Leg uit hoe mutli-allel erfenis zal een impact hebben op een eigenschap binnen een populatie
  • Het beschrijven van de effecten van de penetrantie en expressiviteit op een eigenschap uitdrukking in een populatie

Onvolledige Dominantie

Foto is van een snapdragon met een roze bloem.

figuur 1. Deze roze bloemen van een heterozygote snapdragon zijn het gevolg van onvolledige dominantie. (met dank aan: “storebukkebruse” / Flickr)

Mendels resultaten, dat eigenschappen worden geërfd als dominante en recessieve paren, in tegenspraak met de visie op dat moment dat Nakomelingen vertonen een mix van de eigenschappen van hun ouders. Het heterozygote fenotype lijkt echter af en toe tussen de twee ouders te liggen. Bijvoorbeeld, in de snapdragon, Antirrhinum majus (figuur 1), zal een kruising tussen een homozygote ouder met witte bloemen (CWCW) en een homozygote ouder met rode bloemen (CRCR) nakomelingen produceren met roze bloemen (CRCW). (Merk op dat verschillende genotypische afkortingen worden gebruikt voor Mendeliaanse extensies om deze patronen te onderscheiden van eenvoudige dominantie en recessiviteit.) Dit patroon van overerving wordt beschreven als onvolledige dominantie, wat de expressie van twee contrasterende allelen aangeeft, zodat het individu een tussenliggende fenotype vertoont. Het allel voor rode bloemen is onvolledig dominant over het allel voor witte bloemen. De resultaten van een heterozygote zelfkruis kunnen echter nog steeds worden voorspeld, net als bij Mendeliaanse dominante en recessieve kruisen. In dit geval zou de genotypische ratio 1 CRCR:2 CRCW:1 CWCW zijn, en de fenotypische ratio 1:2:1 Voor rood:roze:wit.

onvolledige dominantie kan worden waargenomen bij verschillende soorten bloemen, waaronder roze tulpen, anjers en rozen—eventuele roze bloemen in deze zijn te wijten aan het mengen van rode en witte allelen. Onvolledige dominantie kan ook worden waargenomen bij sommige dieren, zoals konijnen. Wanneer een Angora met lange haren broedt met een Rex met korte haren, hebben de nakomelingen een vacht van gemiddelde lengte. Staartlengte bij honden wordt eveneens beïnvloed door genen die onvolledige dominantie patronen weer te geven.

Codominant Inheritance

een paard met rode roan kleuring.

Figuur 2. Red Roan Horse

een variatie op onvolledige dominantie is codominantie, waarbij beide allelen voor dezelfde eigenschap gelijktijdig worden uitgedrukt in de heterozygoot. Een voorbeeld van codominantie is de MN bloedgroepen van mensen. De M-en N-allelen worden uitgedrukt in de vorm van een M-of N-antigeen aanwezig op het oppervlak van rode bloedcellen. Homozygoten (LMLM en LNLN) drukken het M-of het n-allel uit, en heterozygoten (LMLN) drukken beide allelen gelijkelijk uit. In een zelf-kruising tussen heterozygoten die een codominante eigenschap uitdrukken, zijn de drie mogelijke Nakomelingen genotypes fenotypisch verschillend. Echter, de 1:2: 1 genotypische verhouding die kenmerkend is voor een Mendeliaans mono-hybridkruis is nog steeds van toepassing.

Codominantie kan ook worden waargenomen bij menselijke bloedgroepen: de AB-bloedgroep is het resultaat van zowel het IA-allel als het IB-allel die codominant zijn. De roan vacht kleur bij paarden is ook een voorbeeld van codominantie. Een “rode” roan ontstaat door het paren van een kastanje ouder en een witte ouder (Figuur 2). We weten dat dit codominantie is omdat individuele haren of kastanje zijn of ze zijn wit, wat leidt tot de rode roan algehele uitstraling.

oefenvraag

Wat is het verschil tussen onvolledige dominantie en codominante overerving? Hoewel ze zijn zeer vergelijkbaar, het belangrijkste verschil is dit: in onvolledige dominantie worden de twee kenmerken samengevoegd, terwijl in codominantie beide kenmerken worden uitgedrukt.

we hebben het al gehad over onvolledige dominantie in bloemen (figuur 1). Hoe denk je dat een bloem eruit zou zien als de rood-witte fenotypen in plaats daarvan codominant zouden zijn?

Toon antwoord

de bloem zou zowel rode als witte bloemblaadjes hebben, zoals deze Rhododendron:

een bloem met een gelijkmatige splitsing van witte en rode bloemblaadjes.

geslachtsgebonden eigenschappen

bij mensen, evenals bij vele andere dieren en sommige planten, wordt het geslacht van het individu bepaald door geslachtschromosomen. De geslachtschromosomen zijn één paar niet-homologe chromosomen. Tot nu toe hebben we alleen gekeken naar overerving patronen tussen niet-geslacht chromosomen, of autosomen. Naast 22 homologe paren autosomes, hebben de menselijke wijfjes een homologe paar chromosomen van X, terwijl de menselijke mannetjes een chromosoompaar van XY hebben. Hoewel het Y-chromosoom een klein gebied van gelijkenis met het X-chromosoom bevat zodat zij tijdens meiosis kunnen paren, is het Y-chromosoom veel korter en bevat veel minder genen. Wanneer een gen wordt onderzocht aanwezig is op het chromosoom van X, maar niet op het chromosoom van Y, wordt gezegd dat het met X verbonden is.

foto toont zes fruitvliegen, elk met een andere oogkleur.

Figuur 3. In Drosophila, wordt het gen voor oogkleur gevestigd op het chromosoom van X. Met de klok mee van linksboven zijn bruin, cinnabar, sepia, vermiljoen, wit en rood. Rode oogkleur is wild-type en is dominant voor witte Oogkleur.

oogkleur bij Drosophila was een van de eerste X-gebonden eigenschappen die werden geïdentificeerd. Thomas Hunt Morgan bracht deze eigenschap in kaart aan het chromosoom van X in 1910. Net als mensen hebben Drosophila mannetjes een XY chromosoom paar, en vrouwtjes zijn XX. in vliegen, de wild-type oogkleur is rood (XW) en het is dominant voor witte Oogkleur (XW) (Figuur 3). Vanwege de locatie van het oogkleurgen, produceren wederkerige kruisen niet dezelfde Nakomelingen verhoudingen. Men zegt dat mannetjes hemizygous zijn, omdat ze slechts één allel hebben voor een X-gebonden kenmerk. Hemizygosity maakt de beschrijvingen van dominantie en recessiviteit irrelevant voor XY mannen. De mannetjes van de Drosophila missen een tweede allelexemplaar op het chromosoom van Y; dat wil zeggen, kan hun genotype slechts XWY of XwY zijn. In tegenstelling, vrouwtjes hebben twee allele kopieën van dit gen en kunnen XWXW, XWXw, of XwXw.

bij een X-gekoppeld kruis hangen de genotypes van F1-en F2-Nakomelingen af van de vraag of de recessieve eigenschap door het mannetje of het vrouwtje in de P0-generatie werd uitgedrukt. Met betrekking tot de kleur van het oog van Drosophila, wanneer het mannetje P0 het fenotype voor het witte oog uitdrukt en het vrouwtje homozygote rode ogen heeft, vertonen alle leden van de F1-generatie rode ogen. De F1 vrouwtjes zijn heterozygote (XWXw), en de mannetjes zijn allemaal XWY, hebben ontvangen hun X chromosoom van de homozygote dominante P0 vrouwelijke en hun Y chromosoom van de P0 mannelijke. Een volgende kruising tussen het xwxw vrouwtje en het XWY mannetje zou alleen roodoog vrouwtjes produceren (met xwxw of xwxw genotypes) en zowel rood-als witoog mannetjes (met XWY of XwY genotypes). Overweeg nu een kruising tussen een homozygote witogige vrouw en een man met rode ogen (Figuur 4). De F1 generatie zou alleen heterozygote roodoog vrouwtjes (XWXw) en alleen witoog mannetjes (XwY) vertonen. De helft van de F2 vrouwtjes zou red-eyed (XWXw) zijn en de helft zou white-eyed (XwXw) zijn. Op dezelfde manier zou de helft van de F2 mannetjes roodoog (XWY) en de helft witoog (XwY) zijn.

oefenvraag

deze afbeelding toont een Punnett-kwadraatanalyse van de kleur van het oog van de fruitvlieg, wat een geslachtsgebonden eigenschap is. Een mannelijke vruchtvlieg met rode ogen met genotype x^{w}Y wordt gekruist met een vrouwelijke vruchtvlieg met witte ogen met genotype x^{w}x^{w}. Alle vrouwelijke nakomelingen krijgen een dominant w-allel van de vader en een recessief w-allel van de moeder, en zijn daarom heterozygoot dominant met rode Oogkleur. Alle mannelijke nakomelingen krijgen een recessief w-allel van de moeder en een Y-chromosoom van de vader en zijn daarom hemizygous recessief met witte Oogkleur.

Figuur 4. De analyse van het vierkant van Punnett wordt gebruikt om de verhouding van de nakomelingen te bepalen van een kruising tussen een mannelijke vruchtvlieg met rode ogen en een vrouwelijke vruchtvlieg met witte ogen.

welke verhouding nakomelingen zou het gevolg zijn van een kruising tussen een man met witte ogen en een vrouw die heterozygoot is voor de kleur van de rode ogen?

Toon antwoord

de helft van de vrouwelijke nakomelingen zou heterozygoot zijn (XWXw) met rode ogen, en de helft zou homozygoot recessief zijn (XwXw) met witte ogen. De helft van de mannelijke nakomelingen zou hemizygous dominant zijn (XWY) met rood ja, en de helft zou hemizygous recessief zijn (XwY) met witte ogen.

ontdekkingen in fruitvlieg genetica kunnen worden toegepast op de menselijke genetica. Wanneer een vrouwelijke ouder homozygoot is voor een recessieve x-linked eigenschap, zal ze de eigenschap doorgeven aan 100 procent van haar nakomelingen. Haar mannelijke nakomelingen zijn daarom voorbestemd om de eigenschap uit te drukken, omdat ze het Y-chromosoom van hun vader zullen erven. In mensen, zijn de allelen voor bepaalde voorwaarden (sommige vormen van kleurenblindheid, hemofilie, en spierdystrofie) x-verbonden. De wijfjes die heterozygoot voor deze ziekten zijn worden gezegd dragers te zijn en mogen geen fenotypic gevolgen vertonen. Deze vrouwtjes zullen de ziekte doorgeven aan de helft van hun zonen en zullen de draagstatus doorgeven aan de helft van hun dochters; daarom komen recessieve X-gebonden eigenschappen vaker voor bij mannen dan bij vrouwen.

in sommige groepen organismen met geslachtschromosomen is het geslacht met de niet-homologe geslachtschromosomen het vrouwelijke in plaats van het mannelijke. Dit geldt voor alle vogels. In dit geval zullen geslachtsgebonden eigenschappen eerder verschijnen in het vrouwtje, waarin ze hemizygous zijn.

niet-Mendeliaanse Punnett-vierkanten

deze oefening zal u helpen het verschil tussen typen niet-Mendeliaanse overerving te onthouden en te onthouden hoe ze werken.

Klik hier voor een tekstversie van de activiteit.

Video recensie

bekijk deze video voor een samenvatting van de drie “speciale” gevallen van niet-Mendeliaanse erfenis die u zojuist hebt geoefend.

meerdere allelen

Mendel impliceerde dat slechts twee allelen, één dominant en één recessief, konden bestaan voor een bepaald gen. We weten nu dat dit een oversimplificatie is. Hoewel individuele mensen (en alle diploïde organismen) slechts twee allelen voor een bepaald gen kunnen hebben, kunnen op populatieniveau meerdere allelen bestaan, zodat vele combinaties van twee allelen worden waargenomen. Merk op dat wanneer er veel allelen bestaan voor hetzelfde gen, de conventie is om het meest voorkomende fenotype of genotype onder wilde dieren aan te duiden als het wilde type (vaak afgekort “+”); dit wordt beschouwd als de standaard of norm. Alle andere fenotypen of genotypen worden beschouwd als varianten van deze standaard, wat betekent dat ze afwijken van het wildtype. De variant kan recessief of dominant zijn voor het wild-type allel.

een voorbeeld van meerdere allelen is de kleur van de vacht bij konijnen (Figuur 5). Hier bestaan vier allelen voor het C-gen. De wild-type versie, C + C+, wordt uitgedrukt als bruine vacht. Het chinchillafenotype, cchcch, wordt uitgedrukt als zwartgekleurde witte vacht. Het Himalaya fenotype, chch, heeft zwarte vacht aan de uiteinden en witte vacht elders. Ten slotte wordt het Albino, of “kleurloos” fenotype, cc, uitgedrukt als witte vacht. In gevallen van meerdere allelen kunnen dominantiehiërarchieën bestaan. In dit geval is het wild-type allel dominant over alle andere, chinchilla is onvolledig dominant over Himalaya en albino, en Himalaya is dominant over albino. Deze hiërarchie, of allelische reeks, werd onthuld door het observeren van de fenotypen van elk mogelijk heterozygote nageslacht.

deze afbeelding toont de vier verschillende varianten voor vachtkleur bij konijnen bij het C-allel. Het genotype CC produceert het wild-type fenotype, dat bruin is. Het genotype c^{ch}c^{ch} produceert het chinchilla-fenotype, dat zwartgekleurde witte vacht is. Het genotype C^{h}c^{h} produceert het Himalaya fenotype, dat wit is op het lichaam en zwart op de ledematen. Het genotype cc produceert het recessieve fenotype, dat wit is

Figuur 5. Er bestaan vier verschillende allelen voor het konijnenjas kleur (C) gen.

deze foto toont Drosophila met normale antennes op zijn kop, en een mutant met poten op zijn kop.

Figuur 6. Zoals blijkt uit de vergelijking van de wild-type Drosophila (links) en de Antennapedia mutant (rechts), de Antennapedia mutant heeft benen op zijn hoofd in plaats van antennes.

de volledige dominantie van een wild-type fenotype over alle andere mutanten treedt vaak op als gevolg van de “dosering” van een specifiek genproduct, zodat het wild-type allel de juiste hoeveelheid genproduct levert, terwijl de mutante allelen dat niet kunnen. Voor de allelische reeks bij konijnen kan het wild-type allel een bepaalde dosering van pelspigment leveren, terwijl de mutanten een lagere of helemaal geen dosering leveren. Interessant is dat het Himalaya fenotype het resultaat is van een allel dat een temperatuurgevoelig genproduct produceert dat alleen pigment produceert in de koelere uiteinden van het lichaam van het konijn.

als alternatief kan één mutant-allel dominant zijn over alle andere fenotypen, inclusief het wildtype. Dit kan optreden wanneer het mutant allel op de een of andere manier interfereert met de genetische boodschap, zodat zelfs een heterozygoot met één wild-type allel kopie het mutant fenotype uitdrukt. Een manier waarop het mutant allel kan interfereren is door de functie van het wild-type genproduct te verbeteren of zijn distributie in het lichaam te veranderen.

een voorbeeld hiervan is de Antennapediamutatie bij Drosophila (Figuur 6). In dit geval breidt het mutant allel de distributie van het genproduct uit, en als gevolg daarvan ontwikkelt de Antennapedia heterozygoot benen op zijn hoofd waar zijn antennes moeten zijn.

meervoudige allelen geven geneesmiddelresistentie bij de malariaparasiet

Malaria is een parasitaire ziekte bij mensen die wordt overgedragen door geïnfecteerde vrouwelijke muggen, waaronder Anopheles gambiae (figuur 7a), en wordt gekenmerkt door cyclische hoge koorts, rillingen, griepachtige symptomen en ernstige anemie. Plasmodium falciparum en P. vivax zijn de meest voorkomende veroorzakers van malaria, en P. falciparum is de meest dodelijke (figuur 7b). Wanneer prompt en correct behandeld, P. falciparummalaria heeft een sterftecijfer van 0,1 procent. In sommige delen van de wereld heeft de parasiet echter weerstand ontwikkeld tegen veelgebruikte malariabehandelingen, zodat de meest effectieve malariabehandelingen per geografische regio kunnen variëren.

Foto a toont de Anopheles gambiae mosquito, die malaria draagt. Foto b toont een micrografie van sikkelvormig Plasmodium falciparum, de parasiet die malaria veroorzaakt. Het Plasmodium heeft een doorsnede van ongeveer 0,75 micron.

Figuur 7. De (A) Anopheles gambiae, of Afrikaanse malariamug, fungeert als een vector in de transmissie aan mensen van de malaria-veroorzakende parasiet (B) Plasmodium falciparum, hier gevisualiseerd met behulp van vals-kleur transmissie elektronenmicroscopie. (credit A: James D. Gathany; credit b: Ute Frevert; false color door Margaret Shear; scale-bar data van Matt Russell)

in Zuidoost-Azië, Afrika en Zuid-Amerika, heeft P. falciparum weerstand tegen de anti-malariale drugs chloroquine, mefloquine, en sulfadoxine-pyrimethamine ontwikkeld. P. falciparum, dat haploid is tijdens het levensstadium waarin het aan mensen besmettelijk is, heeft veelvoudige drug-resistente mutant allelen van het dhps-gen geëvolueerd. Verschillende graden van sulfadoxine resistentie worden geassocieerd met elk van deze allelen. Als haploïde heeft P. falciparum slechts één geneesmiddelresistent allel nodig om deze eigenschap tot uitdrukking te brengen.

in Zuidoost-Azië zijn verschillende sulfadoxine-resistente allelen van het dhps-gen gelokaliseerd in verschillende geografische regio ‘ s. Dit is een veel voorkomend evolutionair fenomeen dat optreedt omdat geneesmiddelresistente mutanten ontstaan in een populatie en interbreed met andere P. falciparum isoleert in de nabijheid. Sulfadoxine-resistente parasieten veroorzaken aanzienlijke menselijke ontbering in regio ‘ s waar dit medicijn op grote schaal wordt gebruikt als een over-the-counter malaria remedie. Zoals gemeenschappelijk met ziekteverwekkers is die aan grote aantallen binnen een besmettingscyclus vermenigvuldigen, evolueert P. falciparum vrij snel (meer dan een decennium of zo) in reactie op de selectieve druk van algemeen gebruikte anti-malariamedicijnen. Daarom moeten wetenschappers voortdurend werken aan de ontwikkeling van nieuwe geneesmiddelen of combinaties van geneesmiddelen om de wereldwijde malaria-Last te bestrijden.

meervoudige allelen (ABO-bloedgroepen) en Punnett-vierkanten

penetrantie en expressiviteit

penetrantie verwijst naar de kans dat een gen of eigenschap tot expressie komt. In sommige gevallen, ondanks de aanwezigheid van een dominant allel, kan een fenotype niet aanwezig zijn. Een voorbeeld hiervan is polydactylie bij mensen (extra vingers en/of tenen). Een dominant allel produceert polydactylie bij mensen, maar niet alle mensen met het allel vertonen de extra cijfers. “Volledige” penetrantie betekent dat het gen of de genen voor een eigenschap worden uitgedrukt in alle populatie die de genen hebben. “Onvolledige” of “gereduceerde” penetrantie betekent dat de genetische eigenschap slechts in een deel van de bevolking tot uitdrukking komt. De penetrantie van expressie kan ook veranderen in verschillende leeftijdsgroepen van een bevolking. Verminderde penetrantie is waarschijnlijk het gevolg van een combinatie van genetische, milieu -, en levensstijl factoren, waarvan vele onbekend zijn. Dit fenomeen kan het uitdagend maken voor genetieprofessionals om de medische geschiedenis van een persoon in de familie te interpreteren en het risico te voorspellen van het doorgeven van een genetische aandoening aan toekomstige generaties.

 volledige penetrantie: alle zes vierkanten zijn donkergroen. Onvolledige penetrantie: drie van de vierkanten zijn donkergroen en drie van de vierkanten zijn wit. De vierkanten in elk voorbeeld zijn bedoeld om individuen van hetzelfde genotype voor het gen van belang te vertegenwoordigen.

Figuur 8. Illustratie gemodelleerd naar soortgelijke afbeelding door Steven M. Carr, Penetrrance versus expressivity.

expressiviteit daarentegen verwijst naar variatie in fenotypische expressie wanneer een allel penetrant is. Terug naar het polydactylievoorbeeld kan een extra cijfer op één of meerdere aanhangsels voorkomen. Het cijfer kan full size of gewoon een stub. Vandaar, heeft dit allel de penetrantie evenals variabele expressiviteit verminderd. De variabele expressiviteit verwijst naar de waaier van tekens en symptomen die in verschillende mensen met dezelfde genetische voorwaarde kunnen voorkomen. Net als bij verminderde penetrantie wordt variabele expressiviteit waarschijnlijk veroorzaakt door een combinatie van genetische, milieu-en leefstijlfactoren, waarvan de meeste niet zijn geïdentificeerd. Als een genetische voorwaarde hoogst veranderlijke tekens en symptomen heeft, kan het uitdagend zijn om te diagnosticeren.

 smalle expressiviteit: alle zes vierkanten zijn donkergroen. Variabele expressiviteit: de zes vierkanten zijn verschillende tinten groen. De vierkanten in elk voorbeeld zijn bedoeld om individuen van hetzelfde genotype voor het gen van belang te vertegenwoordigen.

figuur 9. Illustratie gemodelleerd naar soortgelijke afbeelding door Steven M. Carr, Penetrrance versus expressivity.

voor meer informatie over verminderde penetrantie en variabele expressiviteit kunt u een kijkje nemen in de interactieve tutorial over penetrantie die de PHG Foundation biedt. De tutorial verklaart de verschillen tussen verminderde penetrantie en variabele expressiviteit.

variabele expressiviteit en onvolledige penetrantie

Controleer uw begrip

beantwoord de vraag(en) hieronder om te zien hoe goed u de onderwerpen begrijpt die in de vorige sectie werden behandeld. Deze korte quiz telt niet mee voor je cijfer in de klas, en je kunt het opnieuw een onbeperkt aantal keer.

Gebruik deze quiz om uw begrip te controleren en te beslissen of u (1) de vorige sectie verder bestudeert of (2) naar de volgende sectie gaat.

  1. Sumiti Vinayak, et al., “Origin and Evolution of Sulfadoxine Resistant Plasmodium falciparum,” Public Library of Science Pathogens 6, no. 3 (2010): e1000830, doi:10.1371/journal.ppat.1000830. ↵

Geef een antwoord

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd.