Nici życia Jak obecnie wiemy, chromosomy są nićmi składającymi się z chromatyny – kombinacji DNA i białek – która znajduje się w jądrze komórki i zawiera znaczącą większość jej informacji genetycznej (niewielka ilość mieści się gdzie indziej – w mitochondriach i chloroplastach). Zwykle przedstawia się je jako pałki sczepione w środku, ale w rzeczywistości taką postać przyjmują jedynie podczas podziału komórki. Przez większość czasu są długimi, luźnymi wstążkami. Geny są jakby barwnymi plamami na nich.
Zaburzenia chromosomowe
Choroby genetyczne nie zawsze są powodowane przez mutacje specyficznych genów; mogą także być powodowane przez zaburzenia chromosomowe, na przykład aneuploidie. Jednym z przykładów jest zespół Downa, powodowany przez odziedziczenie trzech kopii chromosomu 21 zamiast zwykłych dwóch. Ten dodatkowy chromosom prowadzi do trudności w uczeniu się, zwiększonego ryzyka chorób serca i wczesnej demencji. Aneuploidie innych chromosomów są niemal zawsze śmiertelne jeszcze w łonie matki. Są często odpowiedzialne za poronienia i niepłodność, ale istnieje możliwość zbadania zarodków uzyskanych metodą zapłodnienia in vitro (IVF, in vitro fertilization) pod kątem tego zaburzenia, aby zwiększyć szanse pary na udaną ciążę.
Liczba chromosomów jest różna dla różnych organizmów i prawie niezmiennie są one połączone w pary: osobnik dziedziczy po jednej kopii od matki i jednej od ojca. Jedynie w komórkach rozrodczych zwanych gametami – u zwierząt komórką jajową i plemnikiem – obecny jest tylko jeden zestaw. Zwykle tworzące pary chromosomy są zwane autosomami (człowiek ma ich 22 pary), a większość zwierząt ma także chromosomy płci, które mogą różnić się między samcami i samicami. U ludzi osoba, która odziedziczy dwa chromosomy X, jest kobietą, a ta, która ma jeden X i jeden Y – mężczyzną.
Ludzie i inne zwierzęta
Ludzie mają 23 pary chromosomów – 22 autosomy i chromosomy płci X i Y. Do roku 1955 jednak powszechnie zgadzano się, że mamy 24 pary, podobnie jak nasi najbliżsi zwierzęcy krewni, szympansy i inne wielkie małpy. Pogląd ten obalono, gdy Albert Levan i Joe-Hin Tjio wykorzystali nowe techniki mikroskopowe do uwidocznienia 23 par. Dokładniejsze badania ludzkiego chromosomu 2 pokazują, że powstał on w wyniku fuzji dwóch mniejszych chromosomów, które wciąż są obecne u szympansów. Było to jedno z wydarzeń, które uczyniły z nas ludzi.
W latach 80. XIX wieku odkrycie barwników umożliwiających wybarwienie chromatyny pozwoliło embriologowi i cytologowi Edouardowi van Bendenowi zaobserwować, że chromosomy matczyne i ojcowskie są od siebie oddzielane przy podziale komórki – odkrycie to doprowadziło Boveriego i Suttona do wniosku, że odgrywają one rolę w dziedziczeniu mendlowskim. Jeśli geny były położone na oddzielnych chromosomach pochodzących od każdego z rodziców, to mogło to wyjaśniać, w jaki sposób cechy recesywne mogły przetrwać i ponownie pojawiać się w późniejszych pokoleniach.
‘ Odkrycia Morgana dotyczące genów i ich miejsca na chromosomach pomogły przekształcić biologię w naukę eksperymentalną. ’
Eric Kandel
Mucha Prawdziwość teorii Boveriego i Suttona udowodnił ich największy krytyk – Morgan. Jego narzędziem była skromna muszka owocowa Drosophila melanogaster (pol. wywilżna karłowata), której nazwa łańska oznacza „czarnobrzucha miłośniczka rosy”. Samice mogą złożyć nawet 800 jaj dziennie, a ich krótki cykl reprodukcyjny, pozwalający na uzyskanie nowego pokolenia co dwa tygodnie, umożliwił laboratorium Morgana na skrzyżowanie milionów tych owadów w celu przebadania wzorów dziedziczenia.
Drosophila zwykle ma czerwone oczy, ale w roku 1910 Morgan znalazł pojedynczego, białookiego samca. Gdy skrzyżował mutanta ze zwykłą czerwonooką samicą, ich potomstwo (pokolenie F1) całe było czerwonookie. Te muchy skrzyżowano ze sobą, aby uzyskać pokolenie F2, w którym ponownie pojawiły się mendlowskie cechy recesywne. Fenotyp białych oczu powrócił, ale tylko u około połowy samców i u żadnej samicy. Ten wynik sugerował związek z płcią.
U ludzi płeć jest determinowana przez chromosomy X i Y – kobiety mają zestaw XX, a mężczyźni XY. Ponieważ chromosom X wpływa na płeć u much w podobny sposób, Morgan zrozumiał, że jego wyniki można wyjaśnić, jeśli zmutowany gen, który zmieniał oczy na białe, był recesywny i przenoszony na chromosomie X.
W pokoleniu F1 wszystkie muchy miały czerwone oczy, ponieważ odziedziczyły chromosom X od czerwonookiej samicy, więc miały dominujący gen czerwonych oczu. Wszystkie samice były nosicielkami genu recesywnego, który się nie ujawniał. Żaden z samców go nie miał.
W pokoleniu F2 wszystkie samice były czerwonookie, gdyż otrzymały chromosom X z genem dominującym od czerwonookiego ojca – nawet jeśli ich matki były nosicielkami i przekazały zmutowany chromosom X, nie będą miały białych oczu, bo ce cha jest recesywna. Jednakże pośród samców F2 połowa, która otrzymała zmutowany chromosom X od matek, była białooka: nie miała drugiego chromosomu X, który usunąłby efekt genu recesywnego.
Morgan trafił na bardzo istotną zasadę. Wiele chorób człowieka, takich jak hemofilia czy dystrofia mięśniowa Duchenne’a, przekazywanych jest zgodnie z takim wzorem, zwanym sprzężeniem z płcią: niecne, odpowiedzialne za chorobę geny leżą na chromosomie X, zatem choroba rozwija się niemal wyłącznie u mężczyzn. Dzieje się tak w przypadku cech warunkowanych przez allel recesywny. Gdy cecha jest dominująca sprzężona z płcią, choruje więcej kobiet niż mężczyzn.
Sprzężenie genetyczne Podczas dalszych badań nad Drosophila Morgan i jego zespół znaleźli dziesiątki cech, które zdawały się być przenoszone na chromosomach. Najłatwiejsze do wychwycenia były mutacje sprzężone z płcią, ale wkrótce możliwe było także zmapowanie genów na autosomach. Geny leżące na tym samym chromosomie zazwyczaj dziedziczyły się wspólnie. Badając, jak często pewne cechy muszki owocowej dziedziczą się wspólnie, „drosofiliści” Morgana potrafili pokazać, że konkretne geny leżą na tym samym chromosomie, a nawet obliczyć ich względną odległość od siebie. Im bliżej siebie były położone, tym bardziej prawdopodobne było, że zostaną przekazane wspólnie. Koncepcja ta, zwana sprzężeniem genetycznym, jest wciąż głównym narzędziem przy poszukiwaniu genów powodujących choroby.
Morgan mylił się w sprawie Mendla, w sprawie Boveriego i Suttona, a nawet mylił się w sprawie Darwina. Ale nie był uparty. Zamiast tego wykorzystał dane eksperymentalne do obalenia błędnego myślenia i udało mu się stworzyć podstawowe prawo. Jego nawrócenie jest idealną ilustracją jednej z największych sił nauki. W odróżnieniu od polityki, gdy fakty się zmieniają, w nauce zmiana poglądów jest całkiem w porządku.
MYŚL W PIGUŁCE
Geny znajdują się na chromosomach
Ernst Mayr: „Nowe pule genowe powstają w każdym pokoleniu, a ewolucja zachodzi, ponieważ stworzone przez te pule osobniki odnoszą sukces i dają początek następnym pokoleniom”.
LINIA CZASU
1859
Darwin publikuje O pochodzeniu gatunków
1865
Mendel