Kap. 4 Kromosomteori for Nedarving

Oversikt over kromosomteorien for nedarving Observasjoner og eksperimenter som plasserte arvematerialet i kjernen på kromosomene Mitosen sikrer at alle celler i organismen bærer det samme kromosomsettet Meiosen fordeler et medlem av hvert kromosom-par til kjønnsceller Gametogenesen, prosessen hvor kimceller utvikler seg til kjønnsceller Validering av kromosomteorien for arvegang

Bevis for gener befinner seg I kjernen 1667 – Anton van Leeuwenhoek Mikroskopiker Sæd inneholder spermatozoa (sæddyr) Fremsatte hypotese om at sæd trenger inn i egg for å oppnå befruktning 1854-1874 – bevis for at befruktning skjer gjennom forening av egg og sæd Nedtegnet froske- og sjøpinnsvinbefruktning ved å bruke mikroskopi og tidsserie tegninger og mikrografer

Bevis for at gener befinner seg på kromosomer 1880 årene – forbedringer i mikroskopi og fargeteknikker identifiserte trådliknende strukturer Fikk et middel til å følge bevegelsen av kromosomer under celledeling Mitosen – to datterceller inneholder det samme antall kromosomer som foreldrecellen (somatiske celler) Meiosen – datterceller inneholdt halvparten av kromosomantallet til foreldrene (sæd og egg)

Ett kromosompar bestemmer individets kjønn Walter Sutton – Studerte store land gresshopper Foreldreceller inneholdt 22 kromosomer pluss ett X kromosom og ett Y kromosom Datterceller inneholdt 11 kromosomer og X og Y i like antall

Store landgresshopper Etter befruktning Celler med XX var hunner Celler med XY var hanner Figure 4.2 Store landgresshopper (Brachystola magna) Fig. 4.2

Mikroskopbilde av humant X og Y kromosom Kjønns-kromosomer Gir et grunnlag for kjønns-bestemmelse Ett kjønn har ett likt par Det andre kjønn har en av hver type kromosom Figure 4.3a Mikroskopbilde av humant X og Y kromosom Fig. 4.3a

Kjønnsbestemmelse hos mennesker Barn mottar bare et X kromosom fra mor, men X eller Y fra far Figure 4.3b Fig. 4.3b

Ved befruktning; Haploide kjønnsceller produserer diploide zygoter Kjønnsceller inneholder halvparten av kromosomantallet i forhold til zygoten Haploid – celler som bare bærer et enkelt kromosomsett Diploid – celler som bærer to samsvarende kromosomsett n – antall kromosomer i en haploid celle 2n – antall kromosomer i en diploid celle

diploid kontra haploid celle i Drosophila melanogaster Figure 4.4 Fig. 4.4

Antall og kromosomform varierer fra art til art Organisme n 2n Drosophila melanogaster (bananflue) 4 8 Drosophila obscura 5 10 Drosophila virilus 6 12 Erter 7 14 Durum hvete 28 Store sequoia trær 11 22 Gullfisk 47 94 Hunder 39 78 Mennesker 23 46

Anatomien til et kromosom Figure 4.5 Fig. 4.5 Metafasekromosomer klassifiseres på grunnlag av sentromerens posisjon

Homologe kromosomer samsvarer i størrelse, form og båndmønster Homologe kromosomer (homologer) inneholder den samme genmengde Gener kan bære forskjellige alleler Ikkehomologe kromosomer bærer fullstendig ubeslektede genmengder

Human mannlig karyotype Karyotyper kan lages ved å kutte mikroskopbilder av fargede kromosomer og ordne dem i samsvarende par Figure 4.6 Fig 4.6 Human mannlig karyotype

Autosomer – par av ikkekjønnskromosomer Kjønnskromosomer og autosomer ordnes i homolog par Merk 22 par av autosomer og 1 par av kjønnskromosomer

Det er variasjon mellom artene i hvordan kromosomene bestemmer individets kjønn __________________________________________________ Chromosome Females Males Organism XX-XY XX XY Mammals, Drosophila XX-XO XX XO Grasshoppers ZZ-ZW ZW ZZ Fish, Birds, Moths

Drosophila Humans Samling av kjønnskromosomer Mennesker – tilstedeværelse av Y bestemmer kjønn Drosophila – forholdet mellom autosomer og X kromosomer bestemmer kjønn XXX XX XXY XO XY XYY OY Drosophila Dies Normal female Sterile male Normal male Humans Nearly normal Male Kleinfelter male (sterile); tall, thin Turner female (sterile); webbed neck Normal or nearly normal male

Mitosen sikrer at alle celler i organismen bærer de samme kromosomene Cellesyklus – gjentagende mønster for cellevekst og deling Veksler mellom interfase og mitose Interfase – periode av cellesyklus mellom deling/cellevekst og replikasjon av kromosomer G1 – gapfase – fødsel av cellen for å starte kromosomreplikasjon/cellevekst S – syntesefase – duplisering av DNA G2 – gapfase – slutt på kromosomreplikasjon for å starte på mitosen

Cellesyklus Figure 4.7a Fig. 4.7a

Kromosomreplikasjon under S-fasen i cellsyklus Syntese av kromosomer Merk dannelsen av søsterkromatider Figure 4.7 b Fig. 4.7 b

Interfase Inne i kjernen Utenfor kjerne G1, S, og G2 fase – cellevekst, proteinsyntese, kromosomreplikasjon Utenfor kjerne Dannelse av mikrotubuli stråler ut inni cytoplasma som er avgjørende for interfaseprosesser Sentrosom – organiserende senter for microtubuli lokalisert nær kjerneomslaget Sentrioler – Et par små mørkfargede legemer i senteret for sentrosomen i dyr (ikke funnet i planter)

Mitose – Søster kromatider separeres Profase – kromosomene fortettes Inne i kjernen Kromosomene fortettes til passende strukturer for replikasjon Nukleoli begynner å nedbrytes og forsvinne Utenfor kjernen Sentrosomene som replikerte under interfase beveger seg fra hverandre og til motsatte sider av kjernen Interfase mikrotubuli forsvinner og erstattes av mikrotubuli som vokser raskt frem og forsvinner og kontraherer tilbake til sentrosomalt organiseringssenter Fig. 4.8 a Figure 4.8 a

Mitosis - fortsatt Prometafase Kjerneomslaget brytes ned Fig. 4.8b Prometafase Kjerneomslaget brytes ned Microtubuli invaderer kjernen Kromosomene festes til microtubuli gjennom kinetochoren Mitotisk spindel – Sammensatt av tre typer mikrotubuli Kinetochore microtubuli – sentrosomen til kinetochore Polar microtubuli – sentrosomen til midten av cellen Astral microtubuli – sentrosomen til cellens periferi Figure 4.8 b

Mitosis - fortsatt Metafase – midtre stadium Kromosomene beveger seg mot en imaginær ekvator, kalt metafaseplaten Figure 4.8 c Fig. 4.8 c

Mitosis - fortsatt Anafase Separasjon av søsterkromatider tillater hvert kromatid å bli trukket mot spindelpolen festet ved hjelp av kinetochore microtubuli Figure 4.8 d Fig. 4.8 d

Mitosis – fortsatt Telofase Spindelfibrene spres Kjerneomslaget dannes rundt grupper av kromosomer ved hver pol En eller flere nukleoli kommer tilsyne igjen Kromosomer blir mindre fortettet Mitosen fullføres Figure 4.8 e Fig. 4.8 e

Mitosis - continued Cytokinese- cytoplasma divideres Starter under anafase og slutter i telofase Animalske celler – en kontraktil ring presser cellen inn i to halve Plante celler – en celleplate dannes som deler cellen i to halve Figure 4.8 f Fig. 4.8 f

Sjekkpunkter hjelper til å regulere cellesyklus Figure 4.11 Fig. 4.11

Meiosen produserer haploide kimceller Somatiske celler – divideres mitotisk og utgjør hoveddelen av en organismes vev Kimceller – spesialisert rolle i produksjon av kjønnsceller Oppstår under embryonisk utvikling i dyr og blomsterutvikling i planter Gjennomgår meiose for å produsere haploide kjønnsceller Kjønnsceller forenes med kjønnsceller fra motsatt kjønn for å produsere diploid avkom

Meiosen Kromosomene replikeres en gang, kjernene deles to ganger Figure 4.12 Fig. 4.12

Meiosen – Profase I Feature Figure 4.13 Feature Figure 4.13

Meiosen – Profase I fortsatt Feature Figure 4.13

Overkryssing under profase produserer rekombinante kromosomer Figure 4.14 a-c Fig. 4.14 a-c

Figure 4.14 d, e Fig. 4.14 d, e

Hvordan overkryssing produserer rekombinante kjønnsceller Figure 4.15 Fig. 4.15

Meiose I – Metafase og Anafase Figure 4.13

Meiosen – Telofase I og Interkinese Figure 4.13

Meiosen – Profase II og Metafase II Figure 4.13

Meiosen – Anafase II og Telofase II Figure 4.13

Meiosen - Cytokinese Figure 4.13 Fig. 4.13

Meiosen bidrar til genetisk mangfold på to måter Uavhengig utvalg av ikkehomologe kromosomer skaper forskjellige kombinasjoner av alleler blant kromosomene Overkryssing mellom homologe kromosomer skaper forskjellige kombinasjoner innen hvert kromosom

Figure 4.17 Fig. 4.17

Gametogenesen involverer mitose og meiose Oogenesen – eggdannelse hos mennesker Diploide kimceller kalt oogonier deler seg under mitosen og danner primære oocytter Primæry oocytter undergår meiose I for å danne en sekundær oocytt og et lite polarlegeme (som ikke utvikles) Sekundære oocytter undergår meiose II for å produsere et egg og et lite polarlegeme Polarlegemene tilintetgjøres og etterlater en stor funksjonell kjønnscelle

Oogenesen hos mennesker Figure 4.18 Fig 4.18

Gametogenesen Spermatogenesen hos mennesker Symmetrisk meiotisk deling produserer fire funksjonelle sædceller Begynner i mannens testikler i kimceller kalt spermatogonier Mitosen produserer diploide primære spermatocytter Meiose I produserer to sekundære spermatocytter per celle Meiose II produserer fire ekvivalente spermatider Spematider modner til funksjonelle sædceller

Spermatogenesen hos mennesker Figure 4.19 Fig. 4.19

Kromosomteorien forener Mendels lover med kromosomoppførsel under meiosen Hver celler inneholder to kopier av hvert kromosom Den samlede kromomsommengden synes uforandret under overføring fra foreldre til avkom Homologe kromosomer parres og separeres til forskjellige kjønnsceller Maternale og paternale kopier av kromosomene parres separat uten hensyn til utvelgelse av andre homologe kromosompar Ved befruktning vil et eggs kromosomsett forene seg med tilfeldig utplukkede sperm kromosomer I alle celler utviklet fra befruktede egg vil en halvpart være fra maternal opprinnelse og den andre halvpart fra paternal Oppførsel til gener Hver celle inneholder to kopier av hvert gen Gener synes uforandret under overføring fra foreldre til avkom Alternative alleler segregerer til forskjellige kjønnsceller Alternative alleler fra urelaterte gener velges uavhengig Aller fra en foreldre forenes tilfeldig ved allelene fra den andre foreldren I alle celler uviklet fra en befruktet kjønnscelle, er halvparten av genene av maternal opprinnelse , og halvparten av paternal opprinnelse

Spesifikke egenskaper blir over ført med spesifikke kromosomer En prøve på kromosomteori Hvis gener er på spesielle kromosomer så skulle egenskaper bestemt av genet bli overført med kromosomet T.H. Morgans eksperimenter demonstrerer kjønnsbundet arv til et gen som bestemmer øyenfarge som demonstrerer overføring av egenskaper med kromosomene 1910 – T.H. Morgan oppdaget en hvitøyet hann Drosophila melanogaster i bestanden sin

Nomenklatur for Drosophila genetikk Villtype allel - allel som er funnet i høy frekvens i en populasjon Angitt ved en “+” Mutant allel - allel funnet i lav frekvens Angitt uten symbol Recessiv mutasjon - gensymbolet er i små bokstaver Dominant mutasjon – forbokstaven i gensymbolet er i stor bokstav

Eksempler på betegnelser for Drosophila Gensymbolet er valgt tilfeldig e.g., Cy er “curly winged”, v er “vermilion eyed”, osv. Cy, Sb, D er dominante (stor førstebokstav) vg, y, e, er recessive (små bokstaver) vg+ - vill-type recessivt allel for vestigial gen locus. Cy+ - vill-type dominant allel for curly gen locus

På kryss og tvers arvegang av det hvite genet viser X-bundethet Figure 4.20 Fig. 4.20

Sjeldne hendelser av ikkeseparasjon i XX hunner produserer XX og 0 egg Figure 4.21 a Segregation in an XX female Fig. 4.21 a

Segregation in an XXY female Figure 4.21 b Fig. 4.21 b

X og Y bundne egenskaper i mennesker kan identifiseres ved stamtreanalyse X-bundne egenskaper utviser fem karakteristikker sett fra stamtrær Egenskaper opptrer i flere menn enn kvinner Mutasjon og egenskap overføres aldri fra far til sønn Påvirkede menn overfører X-bundne mutasjoner til alle døtrene, som er heterozygote bærere Egenskaper hopper ofte over en generasjon Egenskaper opptrer bare i påfølgende generasjoner hvis søster til en påvirket mann er bærer. Hvis så, vil halvparten av hennes sønner oppvise egenskapen

Eksempel på kjønnsbundet resessiv egenskap i humant stamtre – hemophilia Figure 4.23 a Fig. 4.23 a

Eksempel på kjønnsbundet dominant egenskap i humant stamtre – hypophosphatemia Figure 4.23 b Fig. 4.23 b