Genişletilmiş Mendel Yasaları: Genetiği Mendel'in Ötesinde Anlamak...

Mendel, bezelye bitkileri ile yürüttüğü çalışmalarında yalnızca bir kalıtım şekline odaklanmış; odaklandığı özelliklerin kalıtımı, tek bir özellik için baskın ve çekinik alellerin çaprazlama örüntüleri ile sınırlı kalmıştır. Bu çalışmaların ardından keşfedilen ve baskın - çekinik, tek gen modelini takip etmeyen birkaç önemli kalıtım şekli daha bulunmaktadır.

Baskınlık ve Çekinikliğin Alternatifleri

Mendel, bezelye bitkileri ile deneylerinde şunları gözlemlemiştir:

1. Her gen için iki tür "birim" veya alel bulunmaktadır.
2. Aleller her nesilde bütünlüklerini korurlar. Yani bir çaprazlama sonrası iki özellik birleşmez, örneğin mor ve beyaz çiçekli iki bitkinin çaprazlanması açık mor çiçekli bir bitki meydana getirmez.
3. İlgili özellik baskın alel tarafından belirleniyorsa çekinik alel genotipe gizlenir ve fenotipe bir katkıda bulunmaz. Dolayısıyla çekinik aleller, fenotipte ifade edilmeksizin taşınabilir. Bu bağlamda çekinik alel barındıran organizmalara "taşıyıcı" denmektedir.

Mendel'in zamanından bu yana başka türlerle yapılan genetik çalışmalar aslında durumun çok daha karmaşık olduğunu göstermiştir; ancak Mendel genetiğinin temel ilkeleri hala geçerliliğini korumaktadır. İlerleyen bölümlerde Mendel genetiğinin bazı ayrıntıları incelenecektir.

Eksik Baskınlık

Mendel'in deneylerinde bulguladığı, odaklandığı özelliklerin baskın ve çekinik çiftler olarak kalıtıldığını gösteren sonuçlar, o dönemde yavruların ebeveynlerinin özelliklerinin bir karışımını sergilediği görüşüyle çelişmekteydi. Bununla beraber hetorozigot fenotipin iki ebeveyn arasında orta düzeyde ifade edildiği de gözlemlenen bir gerçektir. Örneğin aslanağzı bitkisinde (Antirrhinum majus), beyaz çiçekli bir homozigot ebeveyn (C^WC^W) ile kırmızı çiçekli bir homozigot ebeveynin (C^RC^R) çaprazlanması, yavruların pembe çiçekli (C^RC^W) olmasını sağlayacaktır. Kırmızı çiçek aleli beyaz çiçek aleli üzerinde tam baskın değildir; yani alellerin her ikisi de birbirlerini baskılamadan fenotipte ifade edilmektedir. Bu kalıtım modeli eksik baskınlık (veya bazen ekivalentlik) olarak adlandırılmaktadır.

Bununla birlikte, tıpkı Mendel'in baskın ve çekinik çaprazlamalarında olduğu gibi, heterozigot öz-çaprazlamanın sonuçları da matematiksel olarak öngörülebilir niteliktedir. Aslanağzı örneği bağlamında genotipik oran 1 C^RC^R:2 C^RC^W:1 C^WC^W ve fenotipik oran kırmızı, pembe ve beyaz renkleri için 1:2:1 olacaktır.

Heterozigotta gözlemlenen bu ara renk, kırmızı alel tarafından üretilen pigmentin (antosiyanin) heterozigotta seyrelmeye uğraması; bu nedenle çiçek yapraklarının beyaz arka planı üzerinde pembe görünmesi ile açıklanmaktadır.

Storebukkebruse/Flickr

Eş Baskınlık (Kodominans)

Eksik baskınlığın bir çeşidi de aynı özelliği belirleyen her iki alelin de hetorozigotta aynı anda ifade edildiği eş baskınlık veya kodominans durumudur. Kodominansın bir örneği, insanların AB0 kan gruplarında gözlemlenmektedir. Kan grupları bağlamında A ve B alelleri, kırmızı kan hücrelerinin yüzeyinde bulunan A veya B molekülleri şeklinde ifade edilir. Bu çerçevede homozigotlar (I^AI^A ve I^BI^B) A veya B fenotipini ifade eder; heterozigotlar (I^AI^B) ise her iki fenotipi de eşit olarak ifade eder. Hetorozigot (I^AI^B) bir birey, AB kan grubuna sahip olur.

Kodominant bir özelliği ifade eden heterozigot bireyler arasında yapılan bir öz-çaprazlama, fenotipik bağlamda her biri birbirinden ayrı üç olası yavru genotipin doğmasına sebep olur. Bununla beraber Mendel monohibrit çaprazlamasının karakteristik 1:2:1 genotipik oranı geçerliliğini bu durumda da korumaktadır.

Libre Texts

Çoklu Aleller

Mendel, belirli bir gen bağlamında biri baskın, diğeri çekinik olmak üzere yalnızca iki alelin var olabileceğini öne sürmüştür. Genetik alanında yapılan çalışmalar, bu bilginin epey ötesine geçmiştir. İnsanlar (ve tüm diploid organizmalar) belirli bir gen için yalnızca iki alele sahip olabilir; ancak popülasyon düzeyinde ilgili özelliği kodlayan birden fazla alel olabilir, dolayısıyla iki alelin birçok kombinasyonu meydana gelebilir. Aynı gen için birden fazla alel mevcut olduğunda, doğal popülasyon içinde en sık karşılaşılan fenotip veya genotip, "yaygın tip" veya "vahşi tip" (genellikle "+" şeklinde kısaltılır) olarak belirtilir. Diğer tüm fenotip veya genotipler ise bu tipik formun varyantları (mutantları) olarak kabul edilir ve yaygın tip alel karşısında baskın veya çekinik olabilirler.

Çoklu alellere bir örnek, insanlardaki AB0 kan grubu sistemidir. Bu sistem dahilinde popülasyonda üç alel yer alır; I^A aleli kırmızı kan hücreleri üzerindeki A moleküllerini kodlar, I^B aleli kırmızı kan hücrelerinin yüzeyindeki B moleküllerini kodlar ve i aleli kırmızı kan hücreleri üzerinde hiçbir molekülü kodlamaz. I^A ve I^B alelleri kodominanttır ve her ikisi de i aleli üzerinde baskındır. Bir popülasyonda üç alel bulunmasına karşın her birey ebeveynlerinden yalnızca iki alel alır ve aşağıdaki fenotipleri ve genotipleri üretir. Olası fenotiplerin sayısı, üç alel arasındaki baskınlık ve çekiniklik ilişkileriyle belirlenmektedir.

Not: Üç alel olduğunda üç genotip yerine altı genotip olduğuna dikkat ediniz.

Libre Texts

Evrim İş Başında: Sıtma Parazitinin İlaç Direncinde Çoklu Alellerin Rolü!

Sıtma, Anopheles gambiae gibi enfekte dişi sivrisineklerin bulaştırdığı; yüksek ateş döngüsü, titreme, grip benzeri semptomlar ve şiddetli anemi ile karakterize parazitik bir hastalıktır. Plasmodium falciparum ve P. vivax sıtmanın en yaygın türleridir; P. falciparum en ölümcül olanıdır. Erken ve doğru tedavi edildiğinde P. falciparum sıtmasının ölüm oranı yüzde 0.1'dir.

Bununla beraber, insanları enfekte ettiği yaşam evresinde haploid olan P. falciparum'un dhps geninin birden fazla mutant aleli evrimleşmiş; böylelikle parazit Güneydoğu Asya, Afrika ve Güney Amerika'da sıtma ilacı olarak yaygın şekilde kullanılan klorokin, meflokin ve sülfadoksin-pirimetamine karşı direnç geliştirmiştir. Organizmanın bir haploid olması, sonraki nesillerin evrimleşen bu alellerin yalnızca birini alması takdirinde ilaca dirençli olmasını sağlamaktadır.

Güneydoğu Asya'da, dhps geninin sülfadoksine dirençli alelleri farklı coğrafi bölgelerde lokalize olmuştur. Bu, ilaca dirençli mutantların bir popülasyonda ortaya çıkması ve yakın mesafedeki diğer P. falciparum izolatları ile melezleşmesiyle gerçekleşen yaygın bir evrimsel olgudur. Sülfadoksine dirençli parazitler, bu ilacın reçetesiz satılan bir sıtma ilacı olarak yaygın şekilde kullanıldığı bölgelerde önemli sorunlar yaratmaktadır. Bir enfeksiyon döngüsü içinde sayıları çokça artan tüm patojenler gibi P. falciparum da hızla evrim geçirmekte; reçetesiz satılan sıtma ilaçlarının seçim baskısına karşı koyabilmektedir. Bu nedenle bilim insanları, küresel sıtma tehdidine karşı sürekli olarak yeni ilaçlar veya ilaç kombinasyonları geliştirmek zorunda kalmaktadır.^[1]

Cinsiyete Bağlı Özellikler

Yazının bu noktasına kadar cinsiyet dışı kromozomlar ve otozomlar arasındaki kalıtım modelleri dikkate alınmıştır. Bununla beraber insanlarda, birçok hayvanda ve bazı bitkilerde organizmaların cinsiyeti bir çift, homolog olmayan kromozom ile belirlenmektedir. İnsan dişilerinde 22 homolog otozom çiftine ek olarak bir çift X kromozomu; insan erkeklerinde bir XY kromozom çifti bulunur. Y kromozomu, X kromozomuyla mayoz sırasında eşleşebilmesini sağlayacak ölçüde benzerdir, ancak X kromozomuna kıyasla çok daha kısadır ve çok daha az sayıda gen içerir. Bir gen X kromozomunda bulunuyor ve Y kromozomunda bulunmuyorsa bu gen X'e bağlıdır.

Meyve sineği Drosophila'nın göz rengi, tanımlanan ilk X'e bağlı özelliktir. Thomas Hunt Morgan, 1910 yılında bu özelliği X kromozomuyla ilişkilendirilmiştir. İnsanlar gibi erkekleri XY, dişileri XX kromozom çiftine sahip drozofilaların yaygın renk göz rengi kırmızıdır (X^W) ve beyaz göz rengine (X^w) baskındır. Göz rengi geninin konumu nedeniyle karşılıklı çaprazlamalar ile aynı yavru oranları elde edilememektedir; zira erkekler hemizigottur (herhangi bir X'e bağlı özellik için tek bir alel taşırlar) ve bu hemizigotluk XY kromozomunu taşıyan erkekler için baskın ve çekinik gen ifadelerini önemsiz kılar. Y kromozomunda beyaz göz rengi geninini taşımayan bu organizmaların genotipi ancak X^WY veya X^wY olabilir. Bununla beraber drozofila dişileri bu genin iki alel kopyasına sahiptir ve genotipleri X^WX^W, X^WX^w veya X^wX^w olabilir.

Libre Texts

X'e bağlı bir çaprazlamada, F₁ ve F₂ yavrularının genotipleri, çekinik özelliğin P neslinde erkek veya dişi tarafından ifade edilip edilmediğine bağlıdır. Drosophila göz rengi bağlamında P erkeğinde beyaz göz fenotipini ifade ediliyor ve dişi, homozigot şekilde kırmızı gözlü ise, F₁ neslinin tüm üyeleri kırmızı gözlü olur. F₁ dişileri heterozigottur (X^WX^w) ve erkeklerin tümü X kromozomlarını homozigot baskın P dişisinden ve Y kromozomlarını P erkeğinden alarak X^WY genotipini sergiler. XWXw dişisi ile XWY erkeği arasındaki yapılan bir takip çaprazlamasında, X^WX^W veya X^WX^w genotipli kırmızı gözlü dişiler ve X^WY veya X^wY genotipli kırmızı ve beyaz gözlü erkekler doğacaktır. Bununla beraber, homozigot beyaz gözlü bir dişi ile kırmızı gözlü bir erkek arasında bir çaprazlama yapılırsa, F₁ neslinde yalnızca heterozigot kırmızı gözlü dişiler (X^WX^w) ve yalnızca beyaz gözlü erkekler (XwY) doğar. F₂ neslinde ise dişilerin yarısı kırmızı gözlü (X^WX^w) ve yarısı beyaz gözlü (X^wX^w); erkeklerin yarısı kırmızı gözlü (X^WY) ve yarısı beyaz gözlü (X^wY) olacaktır.

Libre Texts

Drosophila genetiğinde yukarıda bahsedilen keşifler, insan genetiğine de uyarlanabilmektedir. Bir dişi ebeveyn X'e bağlı çekinik bir özellik bağlamında homozigotsa, ilgili özellik erkek çocuklarının her birine %100 oranında aktarılır; zira erkek çocuklar Y kromozomunu erkek ebeveynden almaktadır. İnsanlarda renk körlüğü, hemofili ve kas distrofisi gibi bazı hastalıkların alelleri X'e bağlıdır. Dolayısıyla bu özellik bağlamında hetorozigot olan dişiler, bu hastalıkları yalnızca taşıyabilir ve hiçbir fenotipik etkisini deneyimlemeyebilirler. Bu dişiler, hastalığı erkek çocuklarının yarısına, taşıyıcılık niteliğini ise kız çocuklarının yarısına aktarır ve bu çerçevede X'e bağlı özellikler erkek bireylerde dişilere kıyasla daha sık görülmektedir.

Cinsiyet kromozomlarına sahip organizmalarda homolog olmayan cinsiyet kromozomlarına sahip tarafın dişi olduğu da gözlemlenmektedir. Tüm kuş türlerinde homolog cinsiyet kromozomları dişi bireylerde bulunur ve cinsiyete bağlı özelliklerin ifade edilme olasılığı erkek bireyler yerine hemizigot olan dişi bireylerde daha yüksektir.

Bağlantılı Genler, Bağımsızlık Çeşitlilik Yasasını İhlal Ediyor!

Mendel'in bezelye bitkilerinde gözlemlediği tüm özellikler, bağımsız çeşitlilik yasasına uymaktadır; ancak bazı alel kombinasyonlarının birbirinden bağımsız şekilde kalıtılmadığı da Mendel'den sonra keşfettiğimiz bir gerçektir.

Birbirinden bağımsız, homolog olmayan kromozomlarda bulunan genler daima birbirinden bağımsız olarak sıralanır. Bununla beraber her bir kromozom, ipe dizili boncuklar gibi doğrusal olarak sıralanmış yüzlerce veya binlerce gen içerir ve aynı kromozom üzerinde fiziksel bağlamda birbirine yakın genler, alellerin gametlere ayrılması sırasında bir eş olarak aktarılabilir. Rekombinasyon veya "çaprazlama" adı verilen süreç çerçevesinde aynı kromozom üzerinde bulunan iki genin birbirinden bağımsız olarak, aynı kromozomda değilmiş gibi faaliyet göstermesi de mümkün olmaktadır. Gen bağlantıları ve rekombinasyon temelinde bu süreç şu şekilde gerçekleşir:

Homolog kromozomlar aynı sırada aynı genlere sahiptir, ancak genin belirli alelleri her iki kromozomda farklı olabilir. Mayoz bölünmenin interfaz ve profaz I evreleri sırasında homolog kromozomlar önce bölünür, ardından homolog taraf üzerindeki benzer genler, gen sırası korunarak birbirleriyle hizalanır ve bağlantı meydana gelir. Bu aşamada homolog kromozom segmentleri, genetik materyali doğrusal olarak takas eder. Bu şekilde gerçekleşen rekombinasyon, maternal ve paternal alellerin aynı kromozom üzerinde yer almasını sağlar. Herhangi bir kromozomda çok sayıda rekombinasyon yaşanabilir; bu da alellerin yüksek oranda birbirine karışmasına sebep olur.

Libre Texts

İki gen, aynı kromozom üzerinde yer alıyorsa bağlantılı olarak kabul edilir ve bu genlerin alelleri mayoz bölünme sırasında bir arada aktarılma eğilimindedir. Örneğin çiçek rengi ve bitki uzunluğunu belirleyen genlerin aynı kromozom üzerinde bulunduğu melez bir çaprazlamada bir homolog kromozom uzun bitki ve kırmızı çiçek alellerine sahipse; diğer kromozom da kısa bitki ve sarı çiçek alellerine sahipse, gametler oluştuğunda uzun ve kırmızı çiçek alelleri gamete bir arada girecek; kısa ve sarı çiçek alelleri de diğer gametlere girecektir. Bu duruma ebeveyn genotipi adı verilir; zira aleller, gameti üreten organizmaya herhangi bir değişikliğe uğramaksızın kalıtılmaktadır.

Genlerin farklı kromozomlarda bulunması takdirinde uzun ve sarı çiçek alellerini; kısa ve kırmızı çiçek alellerini bir arada bulunduran gametler oluşmayacaktır. Bu bilgiler çerçevesinde bir Punnett karesi çizilirse klasik 9:3:3:1 Mendel oranının gözlemlenemeyeceği görülür.

İki gen arasındaki mesafe arttıkça aralarında bir veya daha fazla çaprazlama gerçekleşme olasılığı artar ve genler ayrı kromozomlar üzerindeymiş gibi ele alınır. Genetikçiler, ebeveynlere benzemeyen rekombinant gametlerin oranını takip ederek genlerin bir kromozom üzerindeki uzaklıklarını belirleyebilmekte; böylelikle insanlar dahil olmak üzere üzerinde çalıştıkları organizmaların genlerinin bağlantı haritalarını oluşturabilmektedir.

Mendel'in öncü yayınında bağlantı kavramı ele alınmamaktadır. Birçok araştırmacı da Mendel'in yukarıda ifade edildiği bağlamıyla bu fenomeni gözlemleyip gözlemlemediği; eğer gözlemlediyse bağımsız çeşitlilik varsayımını geçersiz kılacağı endişesiyle paylaşmamayı tercih edip etmediği varsayımı üzerinde kafa yormuştur.

Bahçe bezelyelerinin yedi kromozomu vardır; ve birçok araştırmacı Mendel'in yedi özelliğe odaklanmasının bir tesadüf olmadığını savunmaktadır. Bununla beraber Mendel'in incelediği genler ayrı kromozomlar üzerinde yer almasa bile rekombinasyonun aleller üzerindeki karıştırıcı etkisi, bağlantı fenomeniyle hiç karşılaşmamasına sebep olmuş olabilir.

Epistaz

Mendel'in bezelye bitkileri üzerinde yaptığı çalışmalar, bir bireyin fenotiminin tamamen genler (veya Mendel'in deyişiyle birim faktörler) ile belirlendiğini; her bir özelliğin belirgin bir şekilde tek bir gen ile ifade edildiğini göstermiştir. Buna karşın gözlemlenebilir özellikler, neredeyse her zaman iki veya daha fazla alel barındıran birçok genin bir arada faaliyet göstermesiyle meydana gelir. Örneğin insanlarda göz rengi en az sekiz renk ile belirlenmektedir.

Bazı durumlarda birkaç gen, birbirleriyle doğrudan etkileşime girmeksizin yaygın gözlemlenen bir fenotipin oluşmasını sağlayabilir. Örneğin organ gelişimi konusunda genler, sıralı olarak ifade edilebilir ve her bir düzeyde organın farklı bir unsurunu etkileyebilir. Böylelikle organ, karmaşık ve özelleşmiş bir yapı halini alır. Bununla beraber genler tamamlayıcı veya sinerjik bir şekilde de ifade edilebilir; örneğin iki veya daha fazla gen aynı anda ifade edilerek bir fenotipi etkileyebilir. Bunun bir örneği de insan deri rengidir. İnsanlarda deri rengi, en az üç (muhtemelen daha fazla) genin etkisiyle belirlenir. Deri rengi veya insan boyu gibi bir özelliğin kalıtımının çok sayıda genin etki kombinasyonlarına bağlı olduğu durumlar, poligenik (çok genli) kalıtım olarak adlandırılır.

Bununla beraber genler, birbirlerini baskılayabilir. Yunanca "üzerinde durmak" anlamına gelen "epistaz" durumunda genler arasındaki etkileşim antagonistiktir; yani bir gen bir başka genin ifadesini örtülemekte veya engellemektedir. Örtüleyen veya engelleyen alellere epistatik, örtülenen veya engellenen alellere ise hipostatik alel adı verilmektedir. Epistazın biyokimyasal temeli, ifadesi, bulunduğu yolakta kendinden önce veya sonra gelen genin işlevine bağlı olarak gerçekleşen genlerde gözlemlenir.

Farelerde pigmentasyon epistaza örnek olarak verilebilir. Yaygın tip kürk rengi olan aguti (AA), düz kürk rengine (aa) baskındır. Bununla birlikte, ayrı bir gen olan C, çekinik homozigot (cc) olarak bulunduğunda, A geni kaynaklı herhangi bir pigment ifadesini engelleyerek albino bir yavrunun doğmasını sağlar. Bu nedenle, AAcc, Aacc ve aacc genotiplerinin her biri aynı albino fenotipi ile sonuçlanır. Her iki gen bağlamında heterozigot bireyler arasında bir çaprazlama (AaCc x AaCc) 9 aguti: 3 siyah: 4 albino fenotipik oranına sahiptir. Yani A geni, C genini engellemekte; C geni A geni tarafından engellenmektedir. Bir başka deyişle, A geni, C genine epistatik; C geni A genine epistatiktir.

Libre Texts

Özet

Aleller her durumda baskın ve çekinik modellerde bulunmayabilirler. Ekivalentlik (eksik baskınlık), heterozigotun homozigot fenotipler arasında orta noktada bir fenotipin sergilendiği durumları tanımlar. Bu bağlamda ekivalent bir örnek yavruağzı bitkisidir. Kırmızı çiçekli ve beyaz çiçekli iki yavruağzı bitkisinin çaprazlanmasıyla elde edilen yavrunun çiçekleri pembe olur.

Kodominans, heterozigotta iki alelin de eşzamanlı temsil edildiği durumları tanımlar.

Diploid organizmalar herhangi bir gen için yalnızca iki alele sahip olabilir; ancak bir popülasyon içinde bir geni kodlayan ikiden fazla alel bulunması mümkündür, ve hatta yaygındır. İnsanlarda, birçok hayvanda ve bazı bitkilerde dişiler iki X kromozomuna, erkekler bir X ve bir Y kromozomuna sahiptir. Bu bağlamda X kromozomunda bulunan, ancak Y kromozomunda bulunmayan genler, X'e bağlı genler olarak ele alınır. Bu bağlamda erkekler, ilgili genin bir alelini kalıtırken dişiler iki alelini de kalıtır.

Mendel'in bağımsız çeşitlilik yasasına göre, genler mayoz bölünme sırasında birbirlerinden bağımsız olarak gametlere ayrılır. Bunun nedeni kromozomların mayoz bölünme sırasında bağımsız olarak ayrılması ve bu çerçevede gerçekleşen çaprazlamaların aynı kromozomlar üzerinde bulunan birçok genin birbirinden bağımsız hareket etmesine sebep olmasıdır. Genler aynı kromozom üzerinde yakın mesafede bulunduklarında, alelleri bir arada kalıtılma eğilimindedir. Bu da Mendel'in bağımsız çeşitlilik yasasını ihlal eder nitelikte oranların doğmasına sebep olur. Bununla birlikte rekombinasyon, homolog kromozomlar üzerinde genetik materyal değişimine aracı olur, böylece anne ve baba alelleri aynı kromozom üzerinde rekombine edilebilir; belirli bir kromozom üzerindeki alellerin her zaman birlikte kalıtılmamasının nedeni budur.

Rekombinasyon, bir kromozom üzerinde herhangi bir yerde meydana gelen rastgele bir olaydır. Bu nedenle aynı kromozom üzerinde birbirinden uzakta bulunan genlerin, kromozomal boşlukta meydana gelen rekombinasyon vakaları nedeniyle yine de bağımsız olarak ayrılması muhtemeldir.

Genler, alel mesafeleri ve ayrılma türlerinden bağımsız olarak gen ürünü düzeyinde etkileşime girebilir; örneğin bir genin bir alelinin ifadesi, bir bşka genin alel ifadesini örtüleyebilir veya bir şekilde değiştirebilir. Bu tür örtüleme, değiştirme ve engelleme durumları ise epistaz başlığı altında değerlendirilir.