Gener, kromosomer, genotype og fænotype

Denne underside om Gener, kromosomer, genotype og fænotype udgør første del af teorien for Biotech Academys materiale om Genetik.

Gener er som sagt opbygget af DNA. I en eukaryotiske celle finder man DNA’et inden i cellekernen, opspundet omkring nogle proteiner, som hedder ”histoner”, støttet af andre strukturelle proteiner. Tilsammen udgør DNA, histoner og andre strukturelle proteiner cellens kromosom. Grunden til at DNA er opspundet omkring disse proteiner er for at gøre DNA’et mere kompakt. Histoner er vigtige, for uden dem vil DNA’et ligge frit og ustruktureret inden i cellekernen. Hvis du forestiller dig et DNA-molekyle som en sytråd, og histonerne som den spole sytråden er viklet omkring, så kan du se, hvor vigtig histoner er for at gøre DNA’et mere kompakt. Uden histoner er DNA’et nemlig frit til at ligge kludret, hvilket kan medføre knuder og i værste falde brud på DNA’et.

Diploide og haploide celler og de forskellige kromosomer

Antallet af kromosomer varierer meget fra art til art. Raske mennesker har 46 kromosomer i modsætning til f.eks. bananfluer, som har otte. Nogle organismer har to versioner af samme kromosom. Sammenhængen mellem de to kromosomer er, at de indeholder versioner af de samme gener (kaldet alleller – se sektionen om alleler) og bliver matched med hinanden under celledeling. Disse organismer med to versioner af samme kromosom kaldes diploide organismer. Et kromosom-par i en diploid celle kaldes et homologt kromosompar. Mennesker har 22 af disse kromosompar. For at kende forskel på dem, er de nummeret 1-22. Alle kromosomer, som ikke er kønskromosomer, bliver kald autosomer, og udover de 22 nummererede autosomer har mennesker også to kønskromosomer. Hvis du er en mand, har du kønskromosomerne X og Y, og hvis du er en kvinde, har du X og X. Mænds kønskromosomer er ikke homologe, da de ikke er af samme type. De er til gengæld heterologe, fordi de er forskellige.

Modsat diploide celler indeholder haploide celler kun en kopi af hvert kromosom. Eksempler på haploide celler er gameter (sæd- og ægceller), nogle gærarter og pollen. I mennesker bliver haploide celler produceret vha. meiose, og det er kun sæd- og ægceller, som er haploide i menneskekroppen.

Figur 1 viser forskellen på en diploid og en haploid celle. Vi kan se, at hvert af de nummererede kromosomer består af to sammenkoblede versioner af samme kromosom – de er derfor homologe. Der er dog et af kromosomparrene, som afviger fra dette, nemlig det heterologe kønskromosom for mænd, som består af et X kromosom og et Y kromosom. Disse er forskellige fra hinanden.

Genetik_del1_figur1_HaploidDiploidKromosomer

Figur 1: Sammenligning mellem en diploid og en haploid celle.

Karyotype

Det samlede antal og type kromosomer hos et individ, kaldes karyotype. Vi kan skrive karyotypen som antallet af kromosomer efterfulgt af bogstavet for kønskromosomerne. En rask mand har derfor karyotypen 46, XY mens en rask kvinde har karyotypen 46, XX OG bananfluer har karyotypen 8, XX eller 8, XY. Ordet kommer fra græsk, hvor karyon betyder ”kerne”, og typos betyder ”form”, ergo betyder det kærneform.

Man kan ved hjælp af karyotypen identificere individer med kromosomabnormaliteter. F.eks. har personer med Downs syndrom et ekstra kromosom og har derfor karyotypen 47, XX + 21 eller 47, XY + 21. Der findes mange kromosomabnormaliteter. Downs syndrom er blandt de mest normale kromosomabnormaliteter, en lidt sjældnere anormalitet er Turner syndrom, som rammer det kvindelige kønskromosom. Kvinder med Turners syndrom har karyotypen 45, X. Alle disse sygdomme er heldigvis relativt sjældne, og kan i de fleste tilfælde blive opdaget i god tid.

Alleler, zygositet og locus

Som sagt er alle menneskeceller, bortset fra kønsceller (sæd- og ægceller), diploide. Det ene kromosom i et kromosompar kommer fra din mor, og det andet kommer fra din far. Med to forskellige udgaver af hvert kromosom har alle personer også to kopier af alle gener – et helt sæt gener fra sin mor og et helt sæt gener fra sin far. Alle mennesker bærer derfor på to udgaver af samme gen. Disse to udgaver af samme gen bliver kaldt alleler. Et eksempel på en allel er øjenfarve. Der findes en masse forskellige øjenfarver. Øjenfarve er hovedsageligt bestemt af to forskellige gener, OCA2 og HERC2. Enkelte mutationer på OCA2 genet skaber to/eller flere versioner af samme gen se tekstboks 1. Alle disse versioner af genet OCA2 er alleler af hinanden, fordi de giver det samme resultat (øjet får en farve), men med forskellig karakter (brune, grønne eller blå øjne).

Tekstboks 1: Gener for øjenfarve.

Der findes en lang række øjenfarver. Alt fra forskellige nuancer af brun, til grøn, blå, grå og i sjældne tilfælde rød eller violet. Disse øjenfarver er et resultat af mængden og kvaliteten af pigmentet, melanin, i øjets celler. Meget melanin betyder brune øjne, og mindre melanin resulterer i de andre øjenfarver. Røde øjne er et resultat af intet pigment til stede, og farven stammer derfor fra blodårerne i øjet. Violette øjne er et resultat af for lidt pigment til at producere en blå farve. Her interagerer den røde farve fra blodårerne med pigmentet, og resultatet er en violet farve.

Så det er pigmentet, melanin, som bestemmer øjenfarven. Mængden af melanin er hovedsageligt bestemt af to gener, OCA2 og HERC2. OCA2 koder for et protein, der er vigtigt i modningen af de organeller, der er ansvarlige for melaninproduktion. En reduktion i OCA2 gen-ekspressionen, eller en mutation, kan medføre mindre melatinproduktion, og derfor en lysere øjenfarve. HERC2 genet virker epistatisk på OCA2 genet, og har derfor også en stor indflydelse på øjenfarve. Der findes forskellige alleler af OCA2 genet, hvori enkelte nukleotid er udskiftet.

Selvom der er mange gener, som har indflydelse på øjenfarven, så vil allelen, der koder for brune øjne, altid være dominant over for grønne og blå øjne, mens grøn vil være dominerende overfor blå.

Hvis en organisme har samme udgave af en allel på begge kromosomer, er organismen homozygot med hensyn til det gen. Omvendt så hvis organismen har to forskellige udgaver af en allel, er organismen heterozygot for genet. En organismes zygositet har en indflydelse på, hvilke gener kommer til udtryk.

Udover at alleler koder for den samme type gen, så ligger et allelpar placeret på samme lokation i de to forskellige kromosomer. Denne placering eller lokation på et kromosom hedder locus. Et allels locus er ens på de to homologe kromosomer i kromosomparret. Det betyder, at placeringen af allelen for øjenfarve på det ene kromosom, vil stemme overens med allelen for øjenfarve på det andet kromosom (se figur 2).

Figur 2: Locus, alleler, homozygot og heterozygozitet for øjenfarver

For at forstå sammenhængen mellem allel, locus og hetero/homozygocitet kan vi tage fat i eksemplet med øjenfarve igen. Fordi mennesker er diploide, har alle personer to kopier af et gen for øjenfarve, disse to gener er alleler af hinanden. Allelerne ligger i samme lokation på de to kromosomer. Dette kaldes allelens locus. I nogle tilfælde har personen to forskellige udgaver af en allel, (gener for blå og grønne øjne), så er individet heterozygot for dette gen (se figur 2). Omvendt hvis et individ har to ens udgaver af en allel (to gener for blå øjne) er personen homozygot for dette gen (se figur 2).

Genotype og fænotype

Den fælles betegnelse for summen af en organismes genetiske materiale er genotype. Det gælder, alle gener i en organisme, uanset om generne bliver brugt eller ej. F.eks. så har et heterozygotmenneske med allelerne for blå og grønne øjne, genotypen blå/grøn. Modsat så kan et homozygotmenneske have genotypen blå/blå eller grøn/grøn. Det observerbare resultat af individets genotype kaldes fænotype. Eksempler på fænotype er højde, øjenfarve eller blodtype. Fænotypen er både et resultat af genotypen, men der er også mange andre faktorer, der har indflydelse på fænotypen. Det kan være geners dominans eller recessivitet og andre miljømæssige faktorer, såsom diet, klima, alder eller sygdomme. Der er for mange af disse miljømæssige faktorer, der kan have indflydelse på fænotypen, til det bliver gennemgået i dette projekt.

Celledeling

Celler kan dele sig på to måder. Enten ved meiotisk celledeling eller mitotisk celledeling. I dette projekt kommer vi ikke til at gennemgå de to celledelinger i dybden, men du kan se videoer om dem begge på Biotech Academys biostribe her: Video om meiose, video om mitose.

Mitose

Mitose er en celledeling, der giver genetisk ensartethed. Det vil sige, at modercellen og dattercellen er genetisk identiske. Grunden til modercelle og dattercelle er genetisk identisk, er fordi modercellens DNA bliver kopieret under celledelingen. Det er denne kopi af modercellens DNA, der bliver overført til dattercelle og ender med at blive dattercellens DNA. De to celler er dermed genetisk identiske. I mennesker bliver mitose brugt til vækst, reparation og vedligeholdelse af kroppen, og størstedelen af cellerne i din krop deler sig ved hjælp af mitose. Nogle eukaryotiske mikroorganismer, såsom gær, foretrækker at bruge mitose til at formere sig, da det er en hurtig og let måde at dele sig på, og de behøver ikke altid genetisk variation for at overleve.

Meiose

For at klare sig godt i et miljø har alle organismer brug for at udveksle genetisk materiale på den ene eller den anden måde. Udvekslingen af DNA er med til at skabe genetisk variation, som er essentielt for at undgå skadelige mutationer, opnå nye karaktertræk og formationen af nye genotyper. Den mest effektive udveksling af gener sker gennem seksuel reproduktion.

Seksuelt reproducerede organismer benytter meiose til at lave kønsceller – såkaldte gamets. Gamets er haploide celler, som under befrugtning splejses med en anden gamet og skaber en ny diploid organisme. Denne splejsning mellem to haploide celler er grundlaget for seksuel reproduktion.

Grunden til formationen af gamets sker gennem meiose er både for at skabe en haploid celle, men også for at skabe genetisk variation mellem modercelle og dattercelle. Måden hvorpå meiose formår at skabe denne genetisk variation, er ved at sørge for, at dattercellen er genetisk forskellig fra modercellen. Denne genetiske forskel bliver skabt gennem den overkrydsningsbegivenhed, der forekommer i meiosens metafase. Overkrydsningsbegivenheden er beskrevet i tekstboks 2. Efter meiose er færdig vil dattercellen kun have halvt så mange kromosomer som modercellen.

Meiose forekommer kun i eukaryotiske organismer, der reproducerer seksuelt, såsom: mennesker, pattedyr, fugle, krybdyr, insekter, fisk, svampe, gær og blomstrende planter. Fordi meiosen er ansvarlig for seksuel reproduktion, er de eneste celler, der deler sig med meiose i menneskekroppen, sæd- og ægceller. De bliver også kaldt kønsceller/gameter.

Tekstboks 2: Genetisk overkrydsningsbegivenhed.

Denne begivenhed forekommer i den første meiose profase. I profasen er DNA’en fra de to homologe kromosomer blevet replikeret, og kromosomerne befinder sig i midten af cellen. Før cellen er klar til at begynde på den næste fase (anafasen), forekommer der en udveksling af DNA mellem de to homologe kromosomer. Denne udveksling af DNA bliver kaldt homolog rekombination, hvilket vil sige, at indholdet af DNA’et, som bliver udvekslet, er ens.

For at give et lidt forsimplet eksempel, så kan vi sammenligne kromosomerne med to kogebøger. Vi har to homologe kogebøger, hvilket vil sige, at de har samme antal sider og samme opskrifter. I dette eksempel svarer siderne i kogebogen til lokationen på kromosomet, og opskrifterne er gener. Hvis vi skal lave en homolog overkrydsningsbegivenhed mellem de to kogebøger, skal vi rive nogle sider ud fra den første kogebog, som indeholder nogle opskrifter (gener). Dernæst river vi de samme sider, med samme sidenummer, ud af den anden kogebog. De sider, som er fjernet fra kogebog 1, bliver overført til kogebog 2, og omvendt. På den måde er der sket en udveksling af opskrifter. Denne udveksling har ikke ændret på, hvilke opskrifter de to kogebøger indeholder, men kan dog ændre på opskrifternes indehold.

Det kan være at opskriften på kødboller, som blev overført fra kogebog 1 til kogebog 2 brugte persille, mens den opskrift, som blev overført fra kogebog 2 til kogebog 1, brugte rosmarin. Udvekslingen har nu ændret opskriften på kødboller i begge kogebøger, dog har de samlet set ikke mistet noget på udvekslingen, da begge kogebøger stadig indeholder samme antal opskrifter som før, bare med en lille ændring på kødbolleopskriften.

Den genetiske overkrydsningsbegivenhed har samme resultat. Der forekommer en udveksling af DNA mellem de to kromosomer. Under udvekslingen bliver den samme sektion af DNA fra begge de to homologe kromosomer klippet ud og overført til det andet kromosom. Sektionerne, som bliver overført, kan indeholde forskellige alleler af de samme gener, og der vil derfor ske en ændring i kromosomernes genotype.

Meioses to delingsfaser og dens rolle i seksuel reproduktion

Celler der deler sig med meiose, gennemgår to delingsfaser (mitose gennemgår kun en). I den første delingsfase bliver kromosomerne kopieret via DNA-replikation og placeret midt i cellen (figur 3). Der forekommer en overkrydsningsbegivenhed (tekstboks 2), hvori DNA, og dermed gener, bliver udvekslet iblandt de homologe kromosomer. Det er denne overkrydsning, der sørger for genetisk variation mellem moder- og dattercelle. Efter udvekslingen af DNA vil cellerne dele sig igen i den anden delingsfase.

De to datterceller gennemgår nu anden delingsfase, hvor de deler sig og bliver til fire haploide celler. Til forskel for den første delingsfase, forekommer der ikke nogen DNA-replikation i denne fase. Produktet af den anden delingsfase er de fire haploide gamets, der hver især indeholder en unik kopi af hvert kromosom.

Gameterne er nu klar til at splejse sig med en anden gamet vha. seksuel reproduktion og blive til en diploid-celle kaldet zygote. Det er denne splejsning mellem to haploide gamets, der kaldes befrugtning. Splejsningen sker, når en sædcelle trænger ind i en ægcelle, eller når et pollenkorn fra en plante bliver fanget af et støvfang på en anden plante. Idet de to gamets bliver til en, er befrugtningen overstået, og den celle, der er tilbage, er zygoten. Zygoten indeholder nu (i menneskers tilfælde) 46 kromosomer, hvor 23 er kommet fra moderen og 23 er kommet fra faderen. Moderens æg indeholder altid et X kønskromosom, faderens sædcelle kan enten indeholde et X eller et Y kromosom. Kønskromosomet, der bestemmer barnets køn, kommer derfor altid fra faderen.

Figur 3: Meiose