2 | Erfelijkheidsleer
Geslachtsgebonden overerving en gekoppelde genen
Van honden komen een groot aantal rassen voor. Elk ras heeft zijn eigen typische kenmerken. Een dalmatiër kan gemakkelijk herkend worden aan de donkere vlekken (zwart of leverbruin) op een witte achtergrond. Het vlekkenpatroon is erfelijk bepaald. De vlekken, met wisselende grootte, verschijnen op een totaal willekeurige manier. Er komen dan ook geen twee gelijke exemplaren van de dalmatiër voor. Een opvallend kenmerk van dit ras is de vaak voorkomende doofheid (tot 30 % van alle honden in sommige landen). Sommige honden worden geboren met doofheid aan beide oren, andere met doofheid aan één oor. Het kenmerk doofheid komt ook geregeld voor bij andere wit of licht gekleurde hondenrassen. Blijkbaar erven lichte kleur en doofheid vaak samen over.
2 | Erfelijkheidsleer
Geslachtsgebonden overerving en gekoppelde genen
2.1
De relatie tussen Mendels wetten en chromosomen In de jaren na de ‘herontdekking’ van Mendels wetten groeide de genetica snel uit tot een nieuwe discipline binnen de biologie. Een eerste impuls kwam van het mendelisme. De tweede duw kwam met de verdere ontwikkeling van de chromosomentheorie. Op het einde van de 19e eeuw raakten meer en meer onderzoekers ervan overtuigd dat de erffactoren in de kern gelegen waren. Op basis van allerlei indirecte aanduidingen namen veel onderzoekers aan dat erffactoren iets te maken hadden met chromosomen. Het bewijs werd geleverd door de Amerikaan Walter Sutton (1877-1916) en de Duitser Theodor Boveri (1862-1915). Sutton bestudeerde de celdeling van een bepaald soort sprinkhaan. In 1902 en 1903 publiceerde hij zijn resultaten. Hij toonde kort samengevat aan dat chromosomen en erffactoren zich tijdens de meiose analoog gedroegen, en bijgevolg gelijk moesten zijn. Boveri bestudeerde de bevruchting van zee-egeleieren. Onafhankelijk van Sutton kwam ook hij tot de conclusie dat de erffactoren op de chromosomen lagen. Enkele opvallende gelijkenissen tussen chromosomen en Mendels factoren zijn in het tabelletje hieronder te vinden. Chromosomentheorie
Mendels theorie
Chromosomen komen in paren voor.
Erffactoren komen in paren voor.
Bij de vorming van gameten door meiose krijgen de dochtercellen de helft van de chromosomen.
Gameten beschikken telkens over één van de twee erffactoren.
Bij bevruchting komen de chromosomen opnieuw samen in een cel en vormen paren.
Na versmelting van de gameten krijgen de nakomelingen opnieuw twee erffactoren.
Het werk van Sutton en Boveri gaf aan erffactoren een tastbare vorm, nl. als onderdeel van chromosomen. Het werd ook snel duidelijk dat, gezien het groot aantal erffactoren en het beperkt aantal chromosomen, op één chromosoom meer dan één erffactor moest liggen. In 1909 gebruikte de Deen Wilhelm Ludvig Johannsen (1857-1927) voor het eerst het woord gen voor een erffactor. Het begrip gen definiëren we als een deel van een chromosoom dat een erfelijk kenmerk controleert. In het voorgaande deel volstaat het nu om overal het woord ‘erffactor’ te vervangen door ‘gen’. Hoewel het werk van Sutton en Boveri het mogelijk maakte op eenvoudige wijze de wetten van Mendel te verklaren, geloofden heel wat tijdgenoten hun verklaring niet. Het ultieme bewijs werd enkele jaren later geleverd door Morgans werk met fruitvliegen (zie verder).
42 |
Solanum
De wetten van Mendel kunnen vanuit de chromosomentheorie vrij eenvoudig uitgelegd worden. We blijven echter met de symbolische notatie verder werken, met dat verschil dat we met een letter nu een heel chromosoom voorstellen met daarop het gen dat we in de kruising bestuderen. Figuur 2.1: Chromosomale en symbolische voorstelling van Mendels wetten; (a) Uniformiteitswet en splitsingswet, (b) onafhankelijkheidswet (slechts gedeeltelijk voorgesteld). Chromosomale voorstelling
Symbolische voorstelling
X
P: AA x aa
P A
A
a
gameten
a
en
gameten: A en a
A
a
F1
F1: Aa A
gameten
a
en
gameten: A en a
A
a
F2 (F1 x F1)
F2 (F1 x F1): Aa x Aa A
A
a
A
A
a
A
a
A
a
A
a
A
AA
Aa
a
Aa
aa
a
a
Figuur 2.1 (a)
2 | Erfelijkheidsleer | 2 • Geslachtsgebonden overerving en gekoppelde genen | 43
Chromosomale voorstelling
Symbolische voorstelling
X
P: AABB x aabb
P A
A
a B
a
B
b
gameten
b
en
gameten: AB en ab
A
a B
b
F1
F1: AaBb A
a B
gameten
en
A
b
en
A B
gameten: AB en Ab en aB en ab
en
a b
a B
b
Figuur 2.1 (b)
2.2
Geslachtsgebonden overerving
2.2.1 | Een historisch drama De laatste Russische tsaar, Nicolaas II, was in vele opzichten een dramatisch figuur. Zijn enige zoon Alexis, de troonopvolger, leed aan bloederziekte of hemofilie. Hemofilie is een erfelijke ziekte waarbij de bloedstolling gebrekkig verloopt. Een wonde kan leiden tot verlies van grote hoeveelheden bloed. Vandaag weten we dat hemofilie ontstaat door het grotendeels ontbreken of gebrekkig werken van een stollingseiwit in het bloed. Bij patiënten dient men nu de ontbrekende eiwitten toe, waardoor alle symptomen verdwijnen. In de tijd van Alexis was er geen behandeling bekend. Alexis was niet de enige hemofiliepatiënt in zijn familie. Die vorm van hemofilie staat daarom ook bekend als ‘koninklijke hemofilie’. Alexis was een achterkleinkind van koningin Victoria van Groot-Brittannië. Via een huwelijkspolitiek kwamen haar nakomelingen in verschillende Europese koninklijke families terecht. Bekijk even een beknopte versie van de stamboom.
44 |
Solanum
Figuur 2.2: Beknopte stamboom van de afstammelingen van koningin Victoria van Groot-BrittanniĂŤ. Op de stamboom staan niet alle afstammelingen vermeld.
Prins Albert
Alice
Koningin Victoria
Leopold
Hertog van Hesse
Irene
Tsaar Nicolaas II
Tsarina Alexandra
Waldemar Heinrich
Koningin Elisabeth II
Prins Henry
Alice Maurice Leopold Koningin Eugenie
Rupert
Prins Philip
Charles
William
Alexis
Beatrice
? Maurice Alfonso
Koning Alfonso
Juan
Gonzalo
Koning Juan Carlos
% en hemofilie
$ zonder hemofilie maar draagster
% zonder hemofilie
$ zonder hemofilie en geen draagster
Henry
Wat merk je op? _______________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________________________________________
2.2.2 | Geslachtsgebonden erfelijkheid a | X- en Y-chromosomen bepalen het geslacht Om de overerving van hemofilie te begrijpen, is het nodig om eerst kort de bepaling van het geslacht te bespreken. Bij de mens wordt het geslacht bepaald door verschillen in chromosomen. Het grootste deel van de chromosomen (44 van de 46, of 22 van de 23 paar chromosomen) zijn bij man en vrouw gelijk. We noemen deze chromosomen de autosomen of niet-geslachtschromosomen. Het laatste paar chromosomen verschilt bij man en vrouw. We noemen deze twee chromosomen de heterosomen of geslachtschromosomen. Van de heterosomen bestaan twee verschillende exemplaren. Meestal worden ze aangeduid met de termen X- en Y-chromosoom. Het Y-chromosoom is bij de mens kleiner dan het X-chromosoom. In een normale situatie beschikken vrouwen over twee X-chromosomen en mannen over een X- en een Y-chromosoom. De vrouw (XX) noemen we het homogametisch geslacht (homoios = gelijk) omdat de gameten die een vrouw produceert allemaal een van de twee X-chromosomen dragen. De man (XY) noemen we het heterogametisch geslacht (heteros = verschillend). Zaadcellen zijn allemaal verschillend: ofwel dragen ze een X-chromosoom ofwel een Y-chromosoom. 2 | Erfelijkheidsleer | 2 • Geslachtsgebonden overerving en gekoppelde genen | 45
Met het vierkant van Punnett kan nu vrij gemakkelijk aangetoond worden dat in principe de verhouding man-vrouw bij de nakomelingen gelijk is (in de praktijk worden iets meer jongetjes geboren dan meisjes). Voor de eenvoud geven we een voorstelling met enkel de geslachtschromosomen.
Merk op dat het bij mensen de man is die het geslacht bepaalt. P: XY x XX gameten: X of Y en X of X F1: X Y X
XX
XY
X
XX
XY
50 % vrouw
50 % man
b | Genen op het X-chromosoom Op de geslachtschromosomen of heterosomen liggen heel wat genen. Deze genen noemen we heterosomale genen. Daartegenover staan de autosomale genen die liggen op de niet-geslachtschromosomen of autosomen. Bij de mens komen meer dan 1000 genen voor op het X-chromosoom. Een aantal van deze genen hebben een tegenhanger op het Y-chromosoom, vele zijn uniek voor het X-chromosoom of het Y-chromosoom. Omdat deze genen en hun allelen samen met een van de twee geslachten overerven, noemen we dit type overerving geslachtsgebonden erfelijkheid. Veel van de genen op het X-chromosoom bij de mens zijn gekend onder de vorm van allelen die erfelijke ziekten veroorzaken. Een van deze allelen zorgde voor Alexis Romanovs hemofilie. Het gen dat zorgt voor bloedstolling ligt enkel op het X-chromosoom. Het dominante allel (H) zorgt voor normale bloedstolling, het recessieve allel (h) is verantwoordelijk voor hemofilie. Een eenvoudige voorstelling vind je hieronder: H
h
Verschillende genotypes zijn nu mogelijk: Vrouw: Genotype Chromosomale voorstelling
XHXH
XHXh
XhXh
H
H
h
H
h
h
Fenotype
normaal
normaal en draagster
XHY
XhY
hemofilie
Man: Genotype Chromosomale voorstelling Fenotype
46 |
Solanum
H
h
normaal
H
X-chromosoom hemofilie
Y-chromosoom
Uit het voorgaande blijkt dat mannen een grotere kans hebben op hemofilie. Vrouwen met hemofilie zijn zeldzaam maar bestaan.
Wat zal het genotype van haar ouders zijn? ____________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________________________________________
Sommige vrouwen zijn fenotypisch normaal maar kunnen kinderen krijgen met hemofilie. Dergelijke vrouwen noemt men draagsters. Bekijk het onderstaande schema: P: XHXh x XHY F1:
X
H
X
h
XH
Y
Genotypes
Fenotypes
Aantal
X X
H
X Y
X X
vrouw, normaal
25 %
X X
XY
X X
vrouw, draagster
25 %
XHY
man, normaal
25 %
XhY
man, hemofilie
25 %
H H H h
h
H H H h
Naast hemofilie zijn nog een aantal bekende en minder bekende aangeboren afwijkingen te wijten aan genen die alleen op het X-chromosoom liggen. Enkele voorbeelden: • Twee types van kleurenblindheid. Om kleuren te onderscheiden zijn drie types van kegeltjes nodig, die elk verschillende golflengtes van licht opvangen. Het gen voor de blauwe kegeltjes ligt op chromosoom 7; dat voor groene en rode kegeltjes op het X-chromosoom. Een defect in deze genen leidt tot de onmogelijkheid om bepaalde kleuren te zien. De chemicus John Dalton leed aan rode kleurenblindheid. • Duchennes spierdystrofie: een recessief allel dat zorgt voor een langzame afbraak van spiercellen, wat uiteindelijk leidt tot een vroegtijdige dood. • Fragiele X-syndroom: een van de meest voorkomende oorzaken van zwakzinnigheid bij mannen. Aan de tip van dergelijke fragiele X-chromosomen hangt een klein stukje X-chromosoom met een dunne verbinding vast aan de rest van het chromosoom. Bij vrouwen komt dit minder voor, waarschijnlijk omdat een aangetast chromosoom bij voorkeur uitgeschakeld wordt (zie verder).
Het fragiele X-syndroom wordt niet door een allel van een gen veroorzaakt, maar wel door een veelvuldige herhaling van een heel klein stukje chromosoom (zie bij mutaties voor verdere uitleg).
c | Genen op het Y-chromosoom Op het Y-chromosoom zijn tot nu toe relatief weinig genen gevonden. Een voorbeeld van zo’n gen is het SRY-gen (‘seks determining region of Y’) dat ook wel eens het TDFgen wordt genoemd (‘testis determining factor’). Dit gen zorgt voor de ontwikkeling van de mannelijke geslachtsorganen. Een embryo heeft in aanleg voortplantingsorganen die zowel mannelijk al vrouwelijk kunnen uitgroeien. Deze primitieve geslachtsorganen gaan zich vrouwelijk ontwikkelen (bv. vorming van baarmoeder) tenzij er vanaf de zesde week 2 | Erfelijkheidsleer | 2 • Geslachtsgebonden overerving en gekoppelde genen | 47
mannelijke hormonen geproduceerd worden. Bij XY-embryo’s worden de ‘oer’gonaden (of voortplantingsklieren) omgezet in teelballen, dankzij de werking van het SRY-gen. De teelballen scheiden bepaalde hormonen af die zorgen voor de ontwikkeling van de andere mannelijke geslachtsorganen. Bepaalde allelen van SRY werken niet naar behoren, waardoor XY-individuen ontstaan met vrouwelijke voortplantingsorganen. Het SRY-gen is een mooi voorbeeld van genen die van vader op zoon doorgegeven worden. Dit noemt men holandrische overerving.
d | Speciale fenotypes als gevolg van genen op heterosomen Cellen van vrouwelijke zoogdieren zijn onder de microscoop duidelijk van mannelijke cellen te onderscheiden. In 1949 ontdekte de Canadees Murray Llewellyn Barr (1908-1995) in de zenuwcellen van vrouwelijke katten eigenaardige vlekken in de kern. Deze vlekjes, Barr-lichaampjes genoemd, komen bij mannelijke cellen niet voor. In 1961 opperde de Engelse genetica Mary Frances Lyon (1925-2014) dat deze Barrlichaampjes permanent geïnactiveerde X-chromosomen waren. Haar hypothese stelt dat één van de twee X-chromosomen uitgeschakeld wordt, zodat een vrouw slechts over één functionerend X-chromosoom beschikt. Mannen hebben maar één X-chromosoom, zodat dit niet kan worden uitgeschakeld. Het geïnactiveerde X-chromosoom neemt extra snel kleurstof op, waardoor het bij microscopisch onderzoek als Barr-lichaampje te zien is. Bewijs voor die hypothese werd o.a. gevonden door studie van bepaalde mensen die over drie i.p.v. twee X-chromosomen beschikken (zie ook verder). Deze mensen bezitten twee Barr-lichaampjes: twee van de drie X-chromosomen zijn permanent uitgeschakeld, één werkt. Het proces van uitschakelen noemt men lyonisatie. De reden voor lyonisatie is hoogst waarschijnlijk het letaal zijn van twee of meer actieve X-chromosomen. Het uitschakelen van één van de twee X-chromosomen gebeurt vroeg in de ontwikkeling zodat alle cellen die afstammen van een bepaalde cel, hetzelfde actieve X-chromosoom bezitten. Lyonisatie is een toevalsproces, zodat in verschillende cellen andere X-chromosomen uitgeschakeld worden. Dit maakt dat een vrouw bestaat uit een mozaïek van cellen, elk met een verschillend actief X-chromosoom. Wanneer een vrouw heterozygoot is voor een gen op het X-chromosoom, kan dit leiden tot verschillende fenotypes binnen één en dezelfde persoon. Enkele voorbeelden: • Bij katten: lapjeskatten of calicokatten vertonen een vlekkenpatroon bestaande uit oranje (= ros), zwarte en witte vlekken; schildpadkatten vertonen een patroon van zwarte en oranje (= ros). De oranje en zwarte gekleurde haren ontstaan door een gen op het X-chromosoom. Oranje is het dominante allel (Z), zwart het recessieve (z). Het genotype is dus XZXz. Wanneer XZ uitgeschakeld wordt, zullen de haren zwart zijn. Uitschakeling van Xz zorgt voor de oranje kleur. Witgekleurde vlekken ontstaan door een ander, niet X-gebonden gen.
Waarom komen in principe geen mannelijke calicokatten voor? ____________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________
• Bij mensen: een bepaald gen komt tussen in de aanmaak van zweetklieren. Het recessieve allel (d) verhindert de vorming van zweetklieren. Bij heterozygote vrouwen zal de huid uit een mozaïek bestaan van plaatsen met en plaatsen zonder zweetklieren, naargelang het allel dat op het nog actieve X-chromosoom zit. Een mooie illustratie dat 48 |
Solanum
dit om een toevalsproces gaat, vinden we bij vrouwen uit eenzelfde gezin die heterozygoot zijn voor dit kenmerk. Ze zullen allemaal een ander patroon van vlekken vertonen naargelang welke cellen het recessieve allel op hun nog actieve chromosoom hebben. Figuur 2.3: Verschillende calicokatten. Merk op dat elke kat duidelijk verschillende vlekkenpatronen heeft.
Biologische feiten
In sommige sporttakken wordt er wel eens doping ingenomen om betere prestaties neer te zetten. Zo kunnen vrouwelijke atletes met testosteron hun spiermassa doen toenemen. Testosteron doet niet alleen de spiermassa toenemen, maar stimuleert ook de ontwikkeling van allerlei andere mannelijke secundaire geslachtskenmerken. Soms is er terechte twijfel of een atlete geen man is. Op internationale sportwedstrijden wordt daarom gevraagd objectieve bewijzen te leveren door een geslachtstest uit te voeren. Eén van de duidelijkste bewijzen is het afnemen van wat bloed om de witte bloedcellen te bestuderen. Onder de microscoop kan de aanwezigheid van een Barr-lichaampje bekeken worden. In principe is enkel bij vrouwen een Barr-lichaampje aanwezig. Het ontbreken van een Barr-lichaampje is een vrij zeker teken dat de ‘vrouw’ een man is. Maar waterdicht is de test niet. Er bestaan mannen met twee X-chromosomen en één Y-chromosoom (zie verder). Die mannen beschikken wel over één Barr-lichaampje (één van de twee X-chromosomen wordt uitgeschakeld) terwijl ze toch duidelijk mannelijk zijn. Meestal moet dit soort testen door andere testen aangevuld worden. Zo niet, dan zou dit een argument kunnen zijn om de XXY-mannen aan de vrouwencompetities te laten deelnemen!
2 | Erfelijkheidsleer | 2 • Geslachtsgebonden overerving en gekoppelde genen | 49
2.3
Morgans werk met fruitvliegen: de ontdekking van gekoppelde genen en recombinatie
2.3.1 | Wie was Morgan? Thomas Hunt Morgan (1866-1945) was de wetenschapper die de wereld overtuigde dat genen de dragers van erfelijke informatie zijn. Morgan was op verschillende domeinen actief voor hij met fruitvliegen begon te werken. Na een bezoek aan de Nederlander Hugo de Vries besloot Morgan het fenomeen van mutaties bij fruitvliegen te bestuderen. Hij stond nogal sceptisch tegenover de wetten van Mendel, maar kwam al snel tot de vaststelling dat deze wetten ook bij fruitvliegen geldig waren. In 1915 publiceerde hij zijn werk in het boek The mechanism of Mendelian Heredity. Hierin beschreef hij uitvoerig een groot aantal genetische fenomenen, die hij bovendien verklaarde. Het boek was rijk voorzien van allerlei experimentele bewijzen. Morgans werk toonde overtuigend aan dat erfelijke eigenschappen door genen bepaald worden en dat genen netjes gerangschikt liggen op chromosomen.
2.3.2 | De voordelen van fruitvliegen als proefdier Over heel de wereld komen vele soorten fruitvliegen voor. Bij ons kun je ze bv. in de zomer rond rijp fruit aantreffen. Morgan koos een bepaalde soort uit voor zijn werk, nl. Drosophila melanogaster Meigen. Voor genetisch onderzoek heeft Drosophila nog meer voordelen dan de erwt: • Drosophila is klein (2 tot 3 mm) en kan op zeer weinig ruimte gekweekt worden. Een glazen pot of fles met wat voedsel (bv. bananenmoes) is ruim voldoende voor de nakomelingen van een paar fruitvliegen. • De voortplanting verloopt zeer snel. Tussen het leggen van een eitje en een nieuw geslachtsrijp exemplaar verlopen slechts twee weken. Bovendien zijn Drosophila’s zeer productief. • Van Drosophila zijn (nu) zeer veel verschillende fenotypes bekend. Het bekijken van de kenmerken kan gebeuren onder een loep, na verdoving van de vliegen met diethylether. • Drosophila heeft slechts vier paar chromosomen, wat de analyse fel vergemakkelijkt. Geslachtsbepaling gebeurt met een vergelijkbaar systeem als bij mensen: vrouwtjes hebben twee gelijke X-chromosomen, mannetjes hebben een X- en een Y-chromosoom. In tegenstelling met de mens is het Y-chromosoom groter dan het X-chromosoom. Figuur 2.4: Voorstelling van een mannelijke en een vrouwelijke fruitvlieg (Drosophila melanogaster Meigen)
50 |
Solanum
Dankzij de snelle ontwikkeling van fruitvliegen kon Morgan op enkele maanden tijd resultaten verkrijgen die Mendel met erwten jaren gekost zouden hebben. Figuur 2.5: Karyogrammen van een mannelijke en een vrouwelijke Drosophila melanogaster
karyogram van een mannelijke Drosophila melanogaster
karyogram van een vrouwelijke Drosophila melanogaster
2.3.3 | Het begin van het succesverhaal: de witogige mannelijke vlieg Morgan begon in 1908 fruitvliegen te kweken, oorspronkelijk met de bedoeling om mutaties (= verandering in erfelijk materiaal, zie hoofdstuk 4) te bestuderen. Twee jaar lang probeerde Morgan vruchteloos mutaties op te wekken. In 1910 vond hij tussen de roodogige nakomelingen van een kruising een witogig mannetje. Normale Drosophila’s hebben rode ogen. Met dit witogige mannetje kweekte hij verder. Na kruising met een roodogig vrouwtje bekwam hij 1237 fruitvliegjes. Alle vliegen hadden rode ogen. Die vliegen werden onderling gekruist. Van de 4252 nakomelingen waren er 2459 roodogige vrouwtjes, 1011 roodogige mannetjes, 782 witogige mannetjes en 0 witogige vrouwtjes. In een tweede kruising werd het witogige mannetje gekruist met een roodogige dochter. Dit leverde 129 roodogige vrouwtjes, 132 roodogige mannetjes, 88 witogige vrouwtjes en 86 witogige mannetjes op. In het onderstaande schema vind je de experimentele resultaten schematisch voorgesteld: Kruising 1: P: witogig mannetje x roodogig vrouwtje F1: 1237 roodogige mannetjes en vrouwtjes F2: F1 x F1 • 2459 roodogige vrouwtjes • 1011 roodogige mannetjes • 782 witogige mannetjes • 0 witogige vrouwtjes
2 | Erfelijkheidsleer | 2 • Geslachtsgebonden overerving en gekoppelde genen | 51
Kruising 2: P: witogig mannetje x roodogig vrouwtje (uit F1 kruising 1) F1: • 129 roodogige vrouwtjes • 132 roodogige mannetjes • 88 witogige vrouwtjes • 86 witogige mannetjes Morgan formuleerde de hypothese dat het kenmerk ‘witte oogkleur’ een recessief kenmerk was. Hiermee kon hij bv. verklaren dat in de eerste kruising pas in de F2-generatie opnieuw witogige vliegen verschijnen. Stel: R: rode oogkleur en r: witte oogkleur P: RR x rr F1: Rr F2: (F1 x F1) R
r
R
RR
Rr
r
Rr
rr
Uit het vierkant van Punnett volgt dat gemiddeld 25 % van de nakomelingen witte ogen zou moeten hebben. In werkelijkheid bekwam hij 81,6 % roodogige vliegen (2459+1011/4252) en 18,4 % witogige vliegen (782/4252). Wat Morgan in de eerste kruising niet onmiddellijk kon verklaren, was het ontbreken van witogige vrouwtjes. In de tweede kruising kwamen ze wel voor. Dit sloot de mogelijkheid uit dat witogige vrouwtjes om één of andere reden niet leefbaar waren. Om het ontbreken van witogige vrouwtjes uit te leggen, formuleerde Morgan de hypothese dat het gen voor witte/rode oogkleur enkel op het X-chromosoom ligt, en niet op het Y-chromosoom. Dit betekent dat een mannetje slechts over 1 allel beschikt, dat altijd tot uiting komt, of het nu dominant of recessief is. Bij vrouwtjes heb je de gewone dominantrecessieve spelregels. De volgende voorstellingen en figuur 2.6 maken dit duidelijk. Stel: XR: X-chromosoom met gen voor rode oogkleur Xr: X-chromosoom met gen voor witte oogkleur Kruising 1: P: XRXR x XrY gameten: XR of XR en Xr of Y F1: Xr
Y
XR
XRXr
XRY
XR
XRXr
XRY
Dit geeft: mannelijk en rode ogen 50 % XRY vliegen vrouwelijk en rode ogen 50 % XRXr vliegen R r R F2: X X x X Y gameten: XR of Xr en XR en Y
52 |
Solanum
XR
Y
R R
XX
XRY
XRXr
XrY
Xr
Y
XR
XRXr
XRY
Xr
XrXr
XrY
X
R
Xr Dit geeft: 25 % XRXR 25 % XRXr 25 % XRY 25 % XrY
vrouwelijk en rode ogen vrouwelijk en rode ogen mannelijk en rode ogen mannelijk en witte ogen
Kruising 2: P: XRXr x XrY gameten: XR of Xr en Xr of Y F1:
Dit geeft: 25 % XRXr 25 % XrXr 25 % XRY 25 % XrY
vrouwelijk en rode ogen vrouwelijk en witte ogen mannelijk en rode ogen mannelijk en witte ogen
Dit klopt volledig met de verkregen kruisingsresultaten. Wat opvalt, is dat het aantal witogige vliegen in werkelijkheid lager is dan verwacht. Uit kruisingen met witogige vliegen bleek dat relatief veel embryo’s afstierven. Waarschijnlijk beïnvloedt het gen voor witte oogkleur een ander proces dat tot de dood van het embryo leidt.
Hoe noem je zo’n gen? ______________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________________________________________
2 | Erfelijkheidsleer | 2 • Geslachtsgebonden overerving en gekoppelde genen | 53
Figuur 2.6: Voorstelling van de kruising tussen een roodogige en een witogige vlieg.
X
X
vrouw
man
man
vrouw
X-chromosoom, rood oog
X-chromosoom, wit oog
vrouw
vrouw
man
Y-chromosoom
Op basis van zijn hypothese kon Morgan veel kruisingen uitvoeren en keer op keer de resultaten voorspellen en verklaren. Al vrij snel raakte Morgan overtuigd van de juistheid van Mendels wetten en hij werd één van de felste verdedigers van Mendels werk. Voor de volledigheid vermelden we dat in de oorspronkelijke eerste kruising Morgan naast de 1237 roodogige vliegen ook drie witogige vliegen verkreeg. Dit waren hoogst waarschijnlijk enkele F2-vliegen die in de kweekflessen voorkwamen tussen de vele F1-vliegen. Later onderzoek heeft ondertussen ook aangetoond dat zowel het kenmerk oogkleur als de geslachtsbepaling veel ingewikkelder is dan Morgan veronderstelde. Zo wordt oogkleur door minstens achttien verschillende genen bepaald, waarvan er één voor witte oogkleur zorgt.
54 |
Solanum
2.3.4 | Gekoppelde genen en recombinatie Figuur 2.7: Schematische voorstelling van de kruising van Bateson, Saunders en Punnett met reukerwten. In de F2 werden in totaal 2132 nakomelingen bestudeerd. De verwachte aantallen zijn een benadering van dit aantal vanuit de hypothese dat de nakomelingen een 9:3:3:1-verhouding vertonen.
P-generatie
paarse bloem lange stuifmeelkorrel
X
rode bloem ronde stuifmeelkorrel
paars, lang
F1-generatie
paars, lang
X
paars, lang
F2-generatie
verwachte aantallen
verkregen aantallen
paars, lang: 1199
paars, lang: 1528
paars, rond: 400
paars, rond: 106
rood, lang: 400
rood, lang: 117
rood, rond: 133
rood, rond: 381
2 | Erfelijkheidsleer | 2 • Geslachtsgebonden overerving en gekoppelde genen | 55
a | Een vermoeden van gekoppelde genen In 1905 voerden William Bateson (1861-1926), Edith Rebecca Saunders (1865-1945) en Reginald Crundall Punnett (1875-1967) een dihybride kruising uit met reukerwten (Lathyrus odoratus L.). De twee bestudeerde kenmerken waren betrokken in bloemkleur (paars (P) of rood (p)) en de vorm van stuifmeelkorrels (lang (L) of rond (l)). De P-planten hadden het genotype PPLL en ppll.
Wat is het fenotype van deze planten? __________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________________________________________
In de F2 verwachtten Bateson, Saunders en Punnett op basis van de onafhankelijkheidswet een 9:3:3:1-verhouding. Op 2132 nakomelingen die ze onderzochten, betekende dat 1199 nakomelingen met paarse bloemen en lange stuifmeelkorrel (P-L-), 400 nakomelingen met paarse bloemen en ronde stuifmeelkorrel (P-ll), 400 nakomelingen met rode bloemen en lange stuifmeelkorrel (ppL-) en 133 nakomelingen met rode bloemen en ronde stuifmeelkorrel (ppll). In werkelijkheid bekwamen ze 1528 nakomelingen met genotype P-L-, 106 nakomelingen met genotype P-ll, 117 nakomelingen met genotype ppL- en 381 nakomelingen met genotype ppll. (Bron cijfers: tabel 1 uit Lobo, I. & Shaw, K. (2008) Discovery and types of genetic linkage. Nature Education 1 (1)). Deze resultaten weken sterk af van de theoretisch te verwachten resultaten: P-L- en ppll-individuen kwamen veel meer voor dan te verwachten was. Vermits in de ouders P en L enerzijds en p en l anderzijds tezamen voorkwamen, veronderstelden Bateson, Saunders en Punnett dat de genen voor kleur en stuifmeelkorrel fysisch aan elkaar vastzaten en zo bij voorkeur samen doorgegeven werden. Ze waren aan elkaar gekoppeld. PL-, pL-, Pl- en pl-gameten zouden allemaal gemaakt worden, maar PL- en pl-gameten zouden in grotere aantallen aangemaakt worden, waardoor de afwijkende aantallen verklaard konden worden. Deze verklaring werd vrij snel verworpen, vooral omdat er geen enkel bewijs was voor het bevoordelen van de aanmaak van sommige gameten. Morgan stootte wat later bij Drosophila ook op dergelijke fenomenen en kon wel een aannemelijke en afdoende verklaring geven.
b | Het bewijs van gekoppelde genen Morgan bestudeerde een dihybride kruising waarbij een gen voor oogkleur en een gen voor vleugellengte gebruikt werden. De symbolische voorstelling van genen en hun allelen verschilt sterk van organisme tot organisme. Bij Drosophila wordt het allel dat het meest voorkomt bij wilde fruitvliegen als het wildtype aangeduid. Het eerste andere allel dat men vindt, zal gebruikt worden om dit gen een symbool te geven. Een voorbeeld vinden we bij ‘witte ogen’. Dit gen voor oogkleur wordt voorgesteld met w, waarbij w het allel witte ogen voorstelt en w+ het normale allel voor rode ogen. Voor sommige genen worden meerdere letters gebruikt (bv. paarse ogen: pr). Om de zaken overzichtelijk te houden, gebruiken we hier een eenvoudige letternotatie. Van het gen voor oogkleur kwam een rode vorm (A) of een paarse vorm (a) voor. Het kenmerk vleugellengte zorgde in de dominante vorm voor normale vleugels (B) en in de recessieve vorm (b) voor rudimentaire vleugels. Rudimentaire vleugels zijn zeer zwak ontwikkelde vleugels. 56 |
Solanum
Morgan kruiste een homozygote roodogige vlieg met normale vleugels met een homozygote paarsogige vlieg met rudimentaire vleugels (dit was in feite een terugkruising). Zoals verwacht waren alle nakomelingen roodogig met lange vleugels. Symbolisch: P: AABB x aabb -> F1: 100% AaBb Vervolgens kruiste Morgan een F1-mannetje met een homozygoot recessief vrouwtje. Theoretisch verwachtte Morgan vier types nakomelingen, elk in even grote aantallen. Want: P: AaBb x aabb gameten: AB of Ab of aB of ab en ab F1: ab
AB
Ab
aB
ab
AaBb
Aabb
aaBb
aabb
Genotypes
Fenotypes
Aantal
AaBb
rode ogen, normale vleugels
25 %
Aabb
rode ogen, rudimentaire vleugels
25 %
aaBb
paarse ogen, normale vleugels
25 %
aabb
paarse ogen, rudimentaire vleugels
25 %
In werkelijkheid bekwam Morgan slechts twee soorten nakomelingen, nl. 50 % roodogige vliegen met normale vleugels en 50 % paarsogige vliegen met rudimentaire vleugels. Morgan verklaarde deze resultaten door aan te nemen dat beide genen op hetzelfde chromosoom gelegen waren en dus steeds samen overerfden. Dit is het fenomeen van de gekoppelde genen. Genen die samen overerven, liggen op dezelfde koppelingsgroep of linkagegroep. Een linkagegroep valt samen met een chromosoom. Gekoppelde genen worden op een aparte manier genoteerd. Genen die op hetzelfde chromosoom liggen, worden met een lijntje verbonden. De kruising met de homozygote vliegen waarvan Morgan vertrok, kun je dan ook als volgt voorstellen: AB X ab AB ab
AB ab
Op figuur 2.8 kun je met deze chromosomale voorstelling de kruising tussen een F1-mannetje en een homozygoot recessief vrouwtje volgen.
2 | Erfelijkheidsleer | 2 • Geslachtsgebonden overerving en gekoppelde genen | 57
Figuur 2.8: Chromosomale en symbolische voorstelling van gekoppelde overerving bij Drosophila, zoals ontdekt door Morgan Chromosomale voorstelling P
Symbolische voorstelling
X A
A
a
a
B
B
b
b
gameten
P: AB X ab AB ab gameten: AB en ab
en A
a
B
b
F1
P
A
a
B
b
F1-mannetje
X
F1: AB ab vrouwtje
A
a
a
a
B
b
b
b
gameten
P: AB X ab ab ab
en A
a
a
a
B
b
b
b
AB
F1
58 |
Solanum
ab
ab
ab
F1 A
a
B
b
a
A
a
a
a
b
B
b
b
b
a
A
a
a
a
b
B
b
b
b
AB
ab
ab
AB ab
ab ab
ab
AB ab
ab ab
c | Recombinatie en gekoppelde genen Morgan voerde ook de kruising uit met een F1-wijfje en een homozygoot recessief mannetje. Op basis van de vorige kruising zou je verwachten dat je twee soorten fenotypes krijgt met elk 50 % van de nakomelingen. Van de 2839 nakomelingen waren er 1339 roodogig met normale vleugels, 1195 hadden paarse ogen en rudimentaire vleugels, 151 waren roodogig met rudimentaire vleugels en 154 waren paarsogig met normale vleugels. Of procentueel (bij benadering): 47 % roodogig met normale vleugels (AB//ab) 42 % paarsogig met rudimentaire vleugels (ab//ab) 5,5 % roodogig met rudimentaire vleugels (Ab//ab) 5,5 % paarsogig met normale vleugels (aB//ab) Tussen haakjes staat het genotype (met de gekoppelde genen links en rechts van de dubbele schuine streep). Het lijkt alsof bepaalde genen van koppelingsgroep veranderd zijn. Morgan suggereerde dat er tijdens de meiose een proces optreedt waardoor sommige chromosomen stukken met elkaar uitwisselden. Hierdoor ontstaan nieuwe chromosomen met genen die oorspronkelijk op verschillende chromosomen lagen. De nieuwe chromosomen zijn recombinante chromosomen, ontstaan door recombinatie of crossing-over. Het werd snel duidelijk dat de chiasmata, ontdekt door F.A. Janssens in 1909, het resultaat waren van zo’n crossing-over. Op de plaats van een chiasma hebben twee chromosomen een stuk uitgewisseld met elkaar. Figuur 2.9: Schematische voorstelling van de vorming van recombinante chromosomen. Op het ene chromosoom zijn genen A en B gekoppeld, op het andere chromosoom zijn genen a en b gekoppeld.
chromosoom 1
chromosoom 2
gen 1 A
A
a
a
B
b
B
b
A
A
a
b
B
a
gen 2
A
B
A
B AB
b Ab
a
B
b
a
b aB
ab
chromatides op het einde van de tweede meiotische deling
Bij de kruising met het F1-mannetje worden geen recombinante chromosomen gevormd, zodat het voor Morgan mogelijk was om gekoppelde genen op te merken. Bij de kruising met het F1-vrouwtje was de kennis over gekoppelde genen belangrijk om recombinatie 2 | Erfelijkheidsleer | 2 • Geslachtsgebonden overerving en gekoppelde genen | 59
van chromosomen op te kunnen merken en correct te interpreteren. De verklaring voor de verschillen tussen een kruising met een F1-mannetje en een F1-vrouwtje ligt in het afwijkende gedrag van Drosophila. Mannelijke Drosophila’s vertonen geen recombinatie (het ontbreken van recombinatie bij één van de geslachten komt maar bij een beperkt aantal organismen voor). Dit illustreert opnieuw hoeveel geluk Morgan had met de keuze van Drosophila melanogaster als proeforganisme. Bovendien beperkte Morgan de analyse van recombinatie tot één van de twee ouders door terugkruising te gebruiken, wat de studie van het probleem sterk vereenvoudigde.
60 |
Solanum
Biologische feiten
In de loop van de tijden werden van veel organismen variëteiten en rassen gekweekt met bijzondere allelen. Individuen met een afwijkend fenotype (veroorzaakt door een bijzonder allel of combinatie van allelen) werden op grote schaal verder gekweekt. Een mooi voorbeeld zijn de vele hondenrassen die allemaal afstammen van wilde wolven. Deze rassen maken deel uit van de biodiversiteit op aarde. Het bewaren van deze grote verscheidenheid is een belangrijk gegeven. Sommige allelen van wilde organismen of oude rassen kunnen bv. resistentie geven tegen nieuw opgedoken ziekten. Het bewaren van dit soort organismen gebeurt in genenbanken. Je kunt naargelang het organisme verschillende genenbanken onderscheiden. Bij planten maakt men gebruik van zaadbanken. Veel (maar niet alle) planten hebben zaden die bij lage temperaturen (-20 °C) en in droge toestand vele jaren in een soort winterslaap kunnen doorbrengen zonder hun kiemkracht te verliezen. Na een aantal jaren worden de zaden opgekweekt tot nieuwe planten. De zaden van deze planten worden opnieuw opgeslagen voor een bepaalde periode (meestal tien jaar). Dit soort zaadbanken vind je over de hele wereld. Enkele voorbeelden: de Nationale Plantentuin van België in Meise heeft een zaadbank voor wilde bonen; in Engeland huist de ‘Millenium Seed Bank’ die zaden beheert van 10 % van de gekende landplanten; de Wereldzaadbank in Spitsbergen probeert zo veel mogelijk zaden van verschillende rassen van voedingsgewassen te bewaren. In 2005 werd uit teruggevonden zaad in de zaadbank van Meise de Ardense Dravik gekweekt. Dit inheemse gras was volledig uitgestorven, zowel in het wild als in plantentuinen. De bewaarde zaden waren samen met enkele gedroogde herbariumexemplaren het laatste wat er van de plant nog overbleef. Voor sommige planten en voor de meeste dieren ligt de situatie moeilijker. Om de verschillende variëteiten te behouden, moeten deze permanent verder gekweekt worden. Vroeger had elke streek zijn eigen variëteiten die lokaal werden gekweekt en behouden. Vandaag worden slechts enkele variëteiten op massale schaal gekweekt. Een voorbeeld vinden we bij appels: van de vele honderden rassen worden hooguit enkele tientallen commercieel gekweekt. De rest vind je hier en daar nog bij hobbykwekers. Hetzelfde merk je bij kippen: van de vele lokale rassen zijn de meeste alleen nog te vinden bij hobbykwekers. Verenigingen die zich inzetten voor het bewaren van dit biologische erfgoed spelen dan ook een belangrijke rol in het bewaren van deze biodiversiteit. Dierentuinen vervullen een gelijkaardige rol in het behoud van (zeldzame) wilde dieren. Voor dieren bestaat nu ook de mogelijkheid om gameten, embryo’s of weefsels in diepgevroren toestand te bewaren. Kloontechnieken bieden misschien een mogelijkheid om zeldzame variëteiten bij verdwijnen opnieuw op te wekken uit zo’n genenbank.
2 | Erfelijkheidsleer | 2 • Geslachtsgebonden overerving en gekoppelde genen | 61
Verwerkings tips
1 | Dit zijn de belangrijkste begrippen uit dit deel die je moet kunnen uitleggen gen, autosomen, heterosomen, homogametisch geslacht, heterogametisch geslacht, geslachtsgebonden erfelijkheid, heterosomale genen, autosomale genen, draagster, hol andrische overerving, Barr-lichaampje, lyonisatie, gekoppelde genen, recombinante chromosomen, recombinatie, crossing-over. 2 | Enkele richtvragen 1 • Bij de keuze van zijn proefobject had Morgan veel geluk. Fruitvliegen hebben verschillende interessante eigenschappen voor genetisch onderzoek. Welke eigenschap van de fruitvlieg (Drosophila melanogaster) hielp Morgan specifiek bij het ontdekken van gekoppelde overerving? Leg kort uit. 3 | Enkele afspraken Je wordt niet verondersteld te weten welk kenmerk dominant en welk recessief is. Alle kruisingen met Drosophila moet je kunnen uitwerken en bespreken. Je krijgt wel telkens de kenmerken (dominant,recessief) in de opgave. Juiste cijfers voor de verschillende aantallen nakomelingen hoef je niet te kennen, wel de hoofdlijnen (iets minder dan de helft, meer dan verwacht, minder dan verwacht …). De biografische schetsen en de stukjes wetenschapsgeschiedenis hoef je niet te kennen. Over gekoppelde genen worden geen vraagstukken gegeven.
______________________________________________________________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________________________________________________________ 4 | Concept map Stel zelf een ‘concept map’ op voor de volgende begrippen: heterosomale genen, autosomale genen, autosomen, heterosomen, draagster, gekoppelde genen, homogametisch geslacht, heterogametisch geslacht, recombinatie.
62 |
Solanum