Fenotype en genotype Elk organisme lijkt in meer of mindere mate op zijn ouders. Zo heeft een pasgeboren baby uiterlijke kenmerken van de vader en van de moeder. Maar de baby kan ook eigenschappen hebben die bij de vader en de moeder niet waarneembaar zijn. Alle waarneembare eigenschappen van een individu noem je het fenotype. Hierbij horen eigenschappen zoals haarkleur, oogkleur en lichaamsgeur, maar ook eigenschappen zoals bloedgroep en kleurenblindheid. De informatie voor erfelijke eigenschappen van organismen ligt op de chromosomen. Via de chromosomen in een spermacel en een eicel worden erfelijke eigenschappen van de ouders doorgegeven aan een nakomeling. Bij de bevruchting komen de chromosomen met hun erfelijke informatie bij elkaar in de zygote. Vanaf dat moment liggen de erfelijke eigenschappen van een nakomeling vast. De informatie voor alle erfelijke eigenschappen van een individu noem je het genotype. Chromosomen Chromosomen liggen in de celkern en zien eruit als langgerekte dunne ‘draden’. Alleen bij delende cellen zijn de chromosomen zichtbaar met een lichtmicroscoop. Doordat de chromosomen dan spiraliseren, worden ze korter en dikker. In afbeelding 1 zijn de gespiraliseerde chromosomen uit een lichaamscel van een mens in paren gerangschikt naar grootte. Zo’n overzicht van de chromosomen in een cel heet een karyotype. Het wordt ook wel een chromosomenportret of karyogram genoemd (zie ook BiNaS tabel 70B). Bij de mens hebben vrouwen en mannen 22 paar autosomen in de celkern van een lichaamscel. Met het 23e chromosomenpaar kun je het geslacht van een individu bepalen. Daarom noem je deze chromosomen de geslachtschromosomen. Bij de man vormen deze chromosomen wel een paar, maar zijn ze niet gelijk aan elkaar (zie afbeelding 1). Het ene chromosoom is het X-chromosoom, het andere het Ychromosoom (XY). Bij de vrouw zijn de geslachtschromosomen wel aan elkaar gelijk. Het 23e chromosomenpaar bestaat bij een vrouw uit twee X-chromosomen (XX). Van een chromosomenpaar is één chromosoom afkomstig van de moeder, het tweede van de vader. Twee chromosomen van een paar die gelijk zijn in lengte en vorm noem je homologe chromosomen. Homologe chromosomen zijn niet identiek, want ze bevatten niet dezelfde erfelijke informatie. Genen Een gen is een deel van een chromosoom dat de informatie bevat voor een of meer erfelijke eigenschappen of een deel van een erfelijke eigenschap. Vaak is er meer dan één gen betrokken bij het tot stand komen van een bepaalde eigenschap. Zo zijn er bij mensen meerdere genen gevonden die een rol spelen bij het ontstaan van de oogkleur. Een chromosoom is een zeer lang DNA-molecuul dat rond eiwitmoleculen is gewikkeld. Een DNAmolecuul bestaat uit twee ketens die in een dubbele spiraal om elkaar heen gewonden liggen. Een DNA-keten is opgebouwd uit vele duizenden aan elkaar gekoppelde nucleotiden. Eén nucleotide bestaat uit een fosfaatgroep, een monosacharide (desoxyribose) en een stikstofbase (zie afbeelding 2.1). In een nucleotide kan de stikstofbase adenine (A), thymine (T), cytosine (C) of guanine (G) zijn. Er komen dus vier verschillende nucleotiden in DNA voor. In een nucleotideketen steken de stikstofbasen aan de zijkant uit de keten. Hierdoor kunnen twee nucleotiden zich met elkaar verbinden door basenparing. Elke stikstofbase heeft daarbij een vaste bindingspartner. Adenine is steeds met thymine verbonden en cytosine met guanine (zie afbeelding 2.2 en BiNaS tabel 71C). Invloed van milieufactorenen modificaties Het genotype bepaalt veel eigenschappen van een individu. Het fenotype wordt bepaald door het genotype en door milieufactoren. Voorbeelden van milieufactoren die het fenotype beïnvloeden zijn licht, lucht (bijvoorbeeld roken, luchtvervuiling), vochtigheid, temperatuur, voeding, ziekten en opvoeding. Het fenotype van een eik verandert bijvoorbeeld als er door een storm takken van de eik afbreken. Zo’n verandering noem je een modificatie. De informatie in de chromosomen (de DNAsequentie) verandert hierdoor niet. Een modificatie wordt daardoor niet doorgegeven aan nakomelingen. Al in de baarmoeder hebben milieufactoren invloed op mensen. Een afwijking, aandoening of ziekte die in de baarmoeder ontstaat, noem je een aangeboren afwijking of aangeboren aandoening. Als een afwijking, aandoening of ziekte via de chromosomen van de ouders wordt doorgegeven aan een nakomeling, spreek je van een erfelijke ziekte of erfelijke aandoening. Homozygoot en heterozygoot Van elk gen van de mens is bekend op welk chromosoom het ligt en op welke plaats in dat chromosoom (zie BiNaS tabel 70C). In lichaamscellen komen chromosomen en genen in paren voor. Homologe chromosomen bevatten allelen voor dezelfde erfelijke eigenschappen. De allelen van een bepaald gen liggen in deze chromosomen op dezelfde plaats (zie afbeelding 6). Ook bij andere organismen van dezelfde soort liggen de allelen van een bepaald gen altijd op dezelfde plaats in de homologe chromosomen. Er bestaan meestal verschillende allelen van een bepaald gen. Voor de eigenschap haarlijn van het voorhoofd bestaat een allel voor een V-vormige haarlijn en een allel voor een rechte haarlijn. In lichaamscellen komen genen in paren voor. Een persoon bij wie de twee allelen voor de haarlijn hetzelfde zijn, is homozygoot voor deze eigenschap. Personen met twee allelen voor een rechte haarlijn zijn homozygoot voor de eigenschap rechte haarlijn (zie afbeelding 7.1). Personen met twee allelen voor een V-vormige haarlijn zijn homozygoot voor de eigenschap V-vormige haarlijn (zie afbeelding 7.2). Er zijn ook personen bij wie het genenpaar voor de haarlijn bestaat uit een allel voor een rechte haarlijn en een allel voor een V-vormige haarlijn. De twee allelen voor de haarlijn zijn niet hetzelfde. Deze personen zijn heterozygoot voor de eigenschap haarlijn. Dominant en recessief Personen die heterozygoot zijn voor de eigenschap haarlijn, blijken een V-vormige haarlijn te hebben (zie afbeelding 7.3). Alleen het allel voor V-vormige haarlijn komt tot uiting in het fenotype. Je noemt dit allel het dominante allel. Een dominant allel komt altijd tot uiting in het fenotype. Het andere allel noem je het recessieve allel. Dit allel komt alleen tot uiting in het fenotype als er geen dominant allel aanwezig is. De personen in afbeelding 7.2 en 7.3 hebben dezelfde haarlijn. Aan het uiterlijk is niet te zien of deze personen homozygoot of heterozygoot zijn voor de haarlijn. Personen die heterozygoot zijn, zijn drager van de recessieve eigenschap rechte haarlijn. Als het recessieve allel helemaal niet tot uiting komt in het fenotype, is het andere allel volledig dominant. Van de meeste genen bestaan dominante en recessieve allelen. Bij sommige erfelijke eigenschappen is het onderscheid tussen dominante en recessieve allelen niet zo duidelijk. Bijvoorbeeld omdat beide allelen bij heterozygote organismen een beetje tot uiting komen in het fenotype. Je noemt deze allelen dan onvolledig dominant. Zo bestaan er twee allelen voor een belangrijk gen (EYCL3) dat de oogkleur bij de mens bepaalt. Bij een persoon die homozygoot is voor bruine ogen blijken de ogen donkerder te zijn dan bij iemand die heterozygoot is voor deze oogkleur (zie afbeelding 8). Het allel voor blauwe oogkleur komt enigszins tot uiting in het fenotype. Dit fenotype noem je intermediair. Bij leeuwenbekjes (zie afbeelding 9) komen allelen voor rode bloemkleur voor en allelen voor witte bloemkleur. Leeuwenbekjes die heterozygoot zijn voor de bloemkleur hebben een intermediair fenotype. Ze hebben roze bloemen. Beide allelen zijn onvolledig dominant. Wanneer beide allelen van een gen volledig tot uiting komen in het fenotype, is er sprake van codominantie. De combinatie van het allel voor rode bloemkleur en het allel voor witte bloemkleur levert bij camelia’s bloemen op met rode én witte kleuren (zie afbeelding 10). Welke allelen dominant en welke recessief zijn, verschilt per soort. Net als bij leeuwenbekjes komen bij erwtenplanten ook allelen voor rode en voor witte bloemkleur voor. Maar bij erwtenplanten is het gen voor rode bloemkleur volledig dominant over dat voor witte bloemkleur. Een erwtenplant die heterozygoot is voor de bloemkleur, heeft dus rode bloemen. Genen weergeven In de genetica of erfelijkheidsleer geef je genen aan met letters. Een dominant allel geef je aan met een hoofdletter, een recessief allel met een kleine letter. Wanneer een individu heterozygoot is voor een bepaalde eigenschap, geef je dat bijvoorbeeld aan met Aa. Je kunt ook andere letters gebruiken. Gebruik dan letters waarvan de hoofdletter en de kleine letter duidelijk van vorm verschillen. Dus bijvoorbeeld niet P en p, maar wel R en r. Als twee allelen van een genenpaar beide tot uiting komen in het fenotype, gebruik je een andere schrijfwijze. Een rood leeuwenbekje bijvoorbeeld, geef je aan met ArA r , een wit leeuwenbekje met AwA w en een roze leeuwenbekje met ArA w . Recombinatie en mutatie Het herverdelen van erfelijke eigenschappen heet recombinatie. Recombinatie vindt plaats bij geslachtelijke voortplanting. Hierdoor ontstaan nakomelingen met nieuwe genotypen. De geslachtscellen (gameten) voor geslachtelijke voortplanting ontstaan door meiose. Tijdens meiose I gaan de chromosomen van een chromosomenpaar uit elkaar en worden de chromosomen met hun genen willekeurig over de dochtercellen verdeeld. Uit diploïde moedercellen (2n) ontstaan zo haploïde geslachtscellen (n). Een chromosomenpaar bevat veel genenparen. Bij alle soorten organismen liggen op elk chromosomenpaar genenparen die kunnen bestaan uit twee gelijke of uit twee ongelijke allelen. Doordat de allelen in de chromosomen van een chromosomenpaar vaak ongelijk zijn, heeft elk chromosoom een unieke combinatie van allelen. Dit noem je een haplotype (het haploïde genotype). Het haplotype is een groep (set) allelen die een organisme samen van één ouder overerft. Zoals bijvoorbeeld de allelen op één chromosoom. Na de meiose zijn de chromosomen willekeurig over de geslachtscellen van een organisme verdeeld. Die hebben hierdoor verschillende genotypen met een bepaalde combinatie van allelen. In afbeelding 12 is weergegeven hoe meiose van een cel met twee chromosomenparen vier verschillende combinaties van chromosomen in de geslachtscellen kan opleveren. Bij 23 chromosomenparen kunnen er 223 = 8 388 608 verschillende combinaties van chromosomen in de geslachtscellen ontstaan. Welke chromosomen de geslachtscellen bij de bevruchting bevatten, is afhankelijk van het toeval. Bij de bevruchting versmelt een vrouwelijke geslachtscel met een mannelijke geslachtscel. De chromosomen met daarop de allelen van beide ouders komen bij elkaar en er ontstaat een diploïde zygote. Door recombinatie hebben nakomelingen een andere combinatie van allelen dan de beide ouders (zie afbeelding 13). De verschillende nakomelingen van een ouderpaar hebben vrijwel altijd verschillende genotypen. Door recombinatie van allelen ontstaat een grote verscheidenheid in genotypen binnen een soort. Dit leidt tot een grote genetische variatie. Hierdoor heeft de soort een grote overlevingskans. Als de milieuomstandigheden veranderen, is de kans groot dat enkele individuen een genotype bezitten met goede aanpassingsmogelijkheden voor de nieuwe omstandigheden. Genetische variatie komt niet alleen door recombinatie van allelen tot stand, maar ook door mutaties. Mutaties zijn veranderingen in het DNA. Hierdoor kunnen erfelijke eigenschappen veranderen. Tweelingen Na de versmelting van een spermacel en een eicel ontstaat een zygote. Door klievingsdelingen van de zygote ontstaat een klompje cellen. De cellen hebben allemaal hetzelfde genotype als de bevruchte eicel waaruit ze zijn ontstaan. Bij het ontstaan van een eeneiige tweeling splitst het klompje cellen zich op een bepaald moment in twee klompjes. Deze klompjes cellen ontwikkelen zich tot twee individuen die precies hetzelfde genotype in alle lichaamscellen hebben. Een twee-eiige tweeling ontstaat doordat er bij de ovulatie twee eicellen vrijkomen die ieder door een spermacel worden bevrucht. De allelen in de twee spermacellen zijn niet hetzelfde. Ook de allelen in de twee eicellen zijn niet gelijk. Bij de bevruchting ontstaan dan ook twee zygoten met een verschillend genotype. De leden van een twee-eiige tweeling lijken daardoor net zoveel op elkaar als andere broers en zussen. Monohybride kruising Kruisingen vinden plaats door geslachtelijke voortplanting. Je kunt bij kruisingen de overerving van erfelijke eigenschappen van ouders naar nakomelingen volgen. Bij een monohybride kruising volg je de overerving van één erfelijke eigenschap waarbij één allelenpaar is betrokken. Je kunt dan de kans op een bepaald genotype of fenotype bij de nakomelingen bepalen. In werkelijkheid komen veel eigenschappen tot stand door de samenwerking van meerdere genen (polygene overerving). Zo worden bijvoorbeeld de huidskleur en de oogkleur van de mens door meerdere genen beïnvloed. Dit levert veel verschillende fenotypen op. De ouders geef je bij kruisingen aan met de letter P (Parentes = ouders in het Latijn). De nakomelingen geef je aan met F1 (Filii = kinderen in het Latijn; 1 = eerste generatie). Als de nakomelingen van de F1 zich onderling voortplanten, ontstaat hieruit een tweede generatie nakomelingen, die je aangeeft met F2. Bij planten kan de F2 ook ontstaan na zelfbestuiving van de planten in de F1. Dan wordt stuifmeel van meeldraden overgebracht op de stempels van bloemen die aan dezelfde plant bloeien. Kruisingsvraagstukken In de genetica worden kruisingsvraagstukken opgelost om te kunnen bepalen op welke manier bepaalde erfelijke eigenschappen aan de nakomelingen worden doorgegeven. Een voorbeeld van een kruisingsvraagstuk: bij labrador-retrievers (zie afbeelding 18) is het allel voor zwarte haarkleur (B) dominant over het allel voor bruine haarkleur (b). Een zwartharig labradorvrouwtje (teef), die homozygoot is voor de haarkleur, wordt een aantal malen gekruist met een homozygoot bruinharig labradormannetje (reu). De dieren in de F1 planten zich onderling voort. Welke haarkleur kunnen de puppy’s in de F2 hebben? Hoe groot is de kans op een bepaalde haarkleur? Je lost een kruisingsvraagstuk in stappen op. Bij elke kruising beantwoord je de volgende drie vragen. 1 Wat zijn de genotypen van de ouders? Geef deze genotypen in een kruising weer. De ouderdieren (P) zijn homozygoot zwartharig (BB) en homozygoot bruinharig (bb). De kruising is dan: ♀ BB × ♂ bb. 2 Welke allelen kunnen de geslachtscellen van beide ouders bevatten? In geslachtscellen komen allelen enkelvoudig voor. Elke eicel die de teef (BB) produceert, bevat allel B. Elke spermacel die de reu (bb) produceert, bevat allel b. 3 Welke mogelijkheden bestaan er voor de versmelting van een eicelkern en een spermacelkern voor de nakomelingen in de F1? Bij bevruchting versmelt de kern van een eicel (met allel B) met de kern van een spermacel (met allel b). De puppy die zich uit deze zygote ontwikkelt, is zwartharig (Bb). Andere mogelijkheden zijn er bij deze kruising niet. Alle dieren in de F1 zijn heterozygoot zwartharig doordat alleen het dominante allel (B) tot uiting komt in het fenotype (zie afbeelding 18). De dieren uit de F1 van deze kruising planten zich onderling voort. 1 Wat zijn de genotypen van de ouders? Geef deze genotypen in een kruising weer. De ouderdieren (F1) zijn beide heterozygoot zwartharig (Bb). De kruising is dan: ♀Bb × ♂Bb. 2 Welke allelen kunnen de geslachtscellen van beide ouders bevatten? Een eicel die de teef (Bb) produceert, kan allel B of allel b bevatten. Een spermacel die de reu (Bb) produceert, kan ook allel B of allel b bevatten. 3 Welke mogelijkheden bestaan er voor de versmelting van een eicelkern en een spermacelkern voor de nakomelingen in de F2? Bij bevruchting zijn er vier mogelijkheden. Elke mogelijkheid heeft een even grote kans om voor te komen. De kans voor elke mogelijkheid is ¼ of 25%: • Een eicel met allel B wordt bevrucht door een spermacel met allel B. • Een eicel met allel B wordt bevrucht door een spermacel met allel b. • Een eicel met allel b wordt bevrucht door een spermacel met allel B. • Een eicel met allel b wordt bevrucht door een spermacel met allel b. Om dit overzichtelijk te noteren, gebruik je een kruisingsschema. De allelen in de eicellen zet je boven in het schema en de allelen in de spermacellen links in het schema (zie afbeelding 19). Verhouding van genotypen en een testkruising Bij monohybride kruisingen kunnen in de F1 verschillende verhoudingen van genotypen en fenotypen voorkomen: P: Aa × aa • verhouding van genotypen in de F1: Aa : aa = 1 : 1 • verhouding van fenotypen in de F1: fenotype veroorzaakt door het dominante allel : fenotype veroorzaakt door het recessieve allel = 1 : 1 P: Aa × Aa • verhouding van genotypen in de F1: AA : Aa : aa = 1 : 2 : 1 • verhouding van fenotypen in de F1: fenotype veroorzaakt door het dominante allel : fenotype veroorzaakt door het recessieve allel = 3 : 1 Bij de kruising AA × aa komen in de F1 alleen nakomelingen voor met het genotype Aa. Alle nakomelingen hebben dan hetzelfde fenotype. Aan een organisme kun je niet zien of het homozygoot of heterozygoot is voor een dominant allel. Je kunt dit te weten komen door een testkruising uit te voeren (zie afbeelding 20). Bij een testkruising kruis je het organisme waarvan je het genotype wilt weten, met een homozygoot recessief organisme. Uit de verhouding van de verschillende fenotypen die voorkomen in de F1 blijkt dan of het organisme homozygoot of heterozygoot is (zie afbeelding 20.2 en 20.3). Een testkruising is alleen betrouwbaar als de F1 uit een groot aantal nakomelingen bestaat. Wanneer er slechts enkele nakomelingen zijn, bepaalt het toeval wat de verhouding van genotypen en fenotypen in de F1 is. Stambomen Afbeelding 21 is een voorbeeld van een stamboom. Hieruit is af te lezen dat beide ouders en twee van de drie kinderen zwart haar hebben. Eén kind heeft blond haar. Uit de stamboom blijkt dat twee ouders met hetzelfde fenotype een of meer nakomelingen kunnen krijgen met een afwijkend fenotype. Dit is alleen mogelijk als beide ouders heterozygoot zijn (Aa) en de nakomeling(en) homozygoot recessief (aa). Geslachtschromosomen Het karyotype van een organisme kun je ook als formule noteren. Eerst noteer je het aantal chromosomen dat in een celkern voorkomt en daarna noteer je welke geslachtschromosomen er voorkomen. Het normale karyotype voor een vrouw is bij mensen [46, XX] en voor een man [46, XY]. Geslachtscellen ontstaan door meiose. Hierdoor komen chromosomen in geslachtscellen enkelvoudig voor. Een geslachtscel bevat slechts een geslachtschromosoom. Een eicel van een vrouw bevat altijd een X-chromosoom. Een spermacel van een man kan een X-chromosoom of een Y-chromosoom bevatten (zie afbeelding 27). Het geslacht van een mens komt bij de bevruchting vast te liggen en wordt bepaald door het geslachtschromosoom in de spermacel. Als bij bevruchting de kern van de spermacel een X-chromosoom bevat, ontstaat een zygote met twee X-chromosomen in de kern (XX). Hieruit ontwikkelt zich een meisje. Als de kern van de spermacel een Ychromosoom bevat, ontstaat een zygote met een X-chromosoom en een Y-chromosoom in de kern (XY). Hieruit ontwikkelt zich een jongen (zie afbeelding 28). Ook bij de meeste dieren bepaalt één chromosomenpaar het geslacht van het dier. Bij zoogdieren en bij fruitvliegjes hebben de vrouwtjes twee X-chromosomen en de mannetjes een X-chromosoom en een Y-chromosoom in elke lichaamscel. Bij vogels en enkele soorten vissen hebben de mannetjes twee X-chromosomen en de vrouwtjes een X-chromosoom en een Y-chromosoom in elke lichaamscel. X-chromosomale overerving Homologe chromosomen bevatten allelen voor dezelfde erfelijke eigenschappen. Dat geldt ook voor de homologe geslachtschromosomen (XX) bij een vrouw. Het X- en het Ychromosoom bij de man zijn niet homoloog. Het Y-chromosoom is veel korter en bevat daardoor minder erfelijke informatie. Het Xen het Y-chromosoom bevatten hierdoor niet dezelfde genen. Genen in geslachtschromosomen erven dan ook anders over dan genen in autosomen. Genen die alleen in het X-chromosoom voorkomen, noem je Xchromosomaal. Er ligt geen allel voor dit gen in het Y-chromosoom. In een kruisingsschema geef je een dominant X-chromosomaal allel aan met XA en een recessief Xchromosomaal allel met Xa . Voor een eigenschap die is veroorzaakt door een X-chromosomaal gen kan een vrouw homozygoot (XAX A of XaX a ) of heterozygoot (XAX a ) zijn. Een vrouw die hiervoor heterozygoot is, is een draagster. Een man heeft maar één Xchromosoom en kan voor een Xchromosomaal gen het genotype XAY of XaY hebben. De termen homozygoot en heterozygoot zijn hier niet van toepassing. Kleurenblindheid en hemofilie Een voorbeeld van een X-chromosomaal gen bij de mens is het OPN1WL-gen. Dit gen is verantwoordelijk voor het zien van geeloranje licht en het maakt daardoor (samen met andere genen) het zien van kleuren mogelijk. Van het OPN1WL-gen komen allelen voor die roodgroenkleurenblindheid veroorzaken. Voor mensen met deze vorm van kleurenblindheid is het moeilijk of onmogelijk om onderscheid te maken tussen tinten rood, geel en groen (zie afbeelding 29). Mannen met het OPN1WL-allel dat roodgroenkleurenblindheid veroorzaakt zijn altijd rood-groenkleurenblind. Roodgroenkleurenblinde vrouwen zijn homozygoot recessief. Ook bloederziekte of hemofilie wordt veroorzaakt door een X-chromosomaal gen. Bloederziekte komt vrijwel alleen bij mannen voor en is een aandoening waarbij het bloed niet goed kan stollen. Dihybride kruisingsvraagstuk Bij een dihybride kruising volg je de overerving van twee erfelijke eigenschappen waarbij twee allelenparen zijn betrokken. Bij erwtenplanten bijvoorbeeld is het allel voor gele zaden (erwten) (A) dominant over het allel voor groene zaden (a). En het allel voor ronde zaden (R) is dominant over het allel voor gerimpelde zaden (r). De genen liggen in verschillende chromosomenparen en erven onafhankelijk over. Van elk chromosomenpaar gaat er bij de meiose een chromosoom met één allel naar een geslachtscel. De genen komen onafhankelijk van elkaar in geslachtscellen terecht. Een erwtenplant met gele ronde zaden die voor beide eigenschappen homozygoot is, wordt gekruist met een erwtenplant met groene gerimpelde zaden (zie afbeelding 35). 1 Wat zijn de genotypen van de ouderplanten? Geef deze genotypen in een kruising weer. De erwtenplant met gele ronde zaden heeft genotype AARR. De erwtenplant met groene gerimpelde zaden heeft genotype aarr. De kruising is dan: AARR × aarr. 2 Welke allelen kunnen de geslachtscellen van beide ouderplanten bevatten? In geslachtscellen komen allelen enkelvoudig voor. Van elk chromosomenpaar gaat er één allel naar een geslachtscel. Elke geslachtscel van de erwtenplant met gele ronde zaden bevat dus allel A en allel R. Elke geslachtscel van de erwtenplant met groene gerimpelde zaden bevat allel a en allel r. 3 Welke mogelijkheden bestaan er voor de versmelting van een eicelkern en een stuifmeelkorrel voor de nakomelingen in de F1? Bij bevruchting versmelt de kern van een eicel of stuifmeelkorrel (met allelen A en R) met de kern van een stuifmeelkorrel of eicel (met allelen a en r). De plant die zich uit de zygote ontwikkelt, heeft het genotype AaRr en heeft gele ronde zaden. Alle planten in de F1 hebben het genotype AaRr. Een plant uit de F1 plant zich voort door zelfbestuiving. De plant kan vier typen eicellen en stuifmeelkorrels produceren (zie afbeelding 36). Net als bij een monohybride kruising gebruik je een kruisingsschema. De vier typen eicellen zet je boven in het schema en de vier typen stuifmeelkorrels links in het schema (zie afbeelding 37). Elk van de zestien mogelijkheden heeft een even grote kans om voor te komen: 1/16. Sommige genotypen komen meer dan één keer voor. In totaal zijn er negen verschillende genotypen. Bij labrador-retrievers bepalen twee genen de kleur van de vacht. Het allel voor zwarte haarkleur (B) is dominant over het allel voor bruine haarkleur (b). Van een gen dat op een ander chromosoom ligt, bepalen de allelen of de vacht wel pigment (E) of geen pigment heeft (e). Bij aanwezigheid van twee keer het recessieve allel (e) is de vacht kleurloos. De haren zijn dan geel. Labrador-retrievers met het genotype BBee of Bbee hebben een gele vacht, maar een donkere huid. Dat is te zien bij de neus, lippen, oogranden en voetzolen (zie afbeelding 38.1). Labrador-retrievers met het genotype bbee hebben op die plaatsen een bleke huid (zie afbeelding 38.2). Je lost een vraagstuk over een dihybride kuising in dezelfde stappen op als een monohybride kruising. Kansen berekenen Met een kruisingsschema kun je de verhouding van genotypen en fenotypen bij nakomelingen bepalen. Je kunt ook de kans op één bepaald genotype of fenotype bepalen. Door de kansen per eigenschap te bepalen en met elkaar te vermenigvuldigen, kun je een erfelijkheidsvraagstuk sneller oplossen. Een voorbeeld: een tomatenplant met lange, gave bladeren wordt gekruist met een tomatenplant met korte, ingesneden bladeren. De genen voor bladlengte en bladvorm liggen in verschillende chromosomenparen. De vele nakomelingen in de F1 hebben allemaal lange, ingesneden bladeren. De F1 wordt door onderlinge bestuiving verder gekweekt. Welk deel van de nakomelingen in de F2 zal naar verwachting lange, gave bladeren hebben? Uit het fenotype van de F1-nakomelingen blijkt dat de allelen voor lange bladeren en voor ingesneden bladeren dominant zijn. De genotypen van de ouders zijn AAbb en aaBB. Het genotype van alle nakomelingen in de F1 is AaBb. Onderlinge bestuiving van de F1 wordt weergegeven door AaBb × AaBb. Om te kunnen bepalen welk deel van de nakomelingen in de F2 lange, gave bladeren zal hebben, kijk je eerst naar de eigenschap bladlengte (Aa × Aa). De kruising van deze allelen levert in de F2 een verhouding in de fenotypen op van 3 : 1. Het dominante allel voor lange bladeren komt in ¾ van de F2 tot uiting. Daarna kijk je naar de eigenschap bladvorm (Bb × Bb). Ook hier is de te verwachten verhouding van fenotypen in de F2 3 : 1. Het recessieve allel voor gave bladeren komt in ¼ van de F2 tot uiting. Lange, gave bladeren tref je in de F2 aan bij ¾ × ¼ = 3/16 (of 18,75%) van de nakomelingen. Het aantal genotypen dat bij een individu in de geslachtscellen kan voorkomen, kun je op een vergelijkbare manier berekenen. Je bepaalt eerst per genenpaar of er één of twee typen geslachtscellen kunnen worden gevormd. Daarna vermenigvuldig je de aantallen. Een individu met genotype Aa kan twee typen geslachtscellen maken. Een individu met genotype bb kan slechts één type geslachtscellen maken. Bij een individu met genotype AabbCc kunnen 2 × 1 × 2 = 4 genotypen in de geslachtscellen voorkomen. Genotypen van ouders bepalen In kruisingsvraagstukken kun je de genotypen van de ouders afleiden uit de verhouding van de fenotypen van de nakomelingen. Je kijkt daarvoor naar de verhouding per eigenschap. Een voorbeeld: bij konijnen is het allel voor zwarte vachtkleur (A) dominant over het allel voor bruine vachtkleur (a). Het allel voor normale oren (B) is dominant over dat voor hangoren (b). De genenparen liggen in verschillende chromosomenparen. Twee konijnen worden een aantal malen gekruist. Ze krijgen de volgende nakomelingen: drie zwarte hangoren, zeven zwarte rechte oren, twee bruine hangoren en negen bruine konijnen met rechte oren (zie afbeelding 41). Wat zijn de genotypen van de ouders? Je kijkt eerst naar de vachtkleur. In totaal zijn er tien zwarte en elf bruine konijnen geboren. De verhouding is dus ongeveer 1 : 1. De genotypen van de ouders zijn dan Aa en aa. Daarna kijk je naar de vorm van de oren. In totaal zijn er zestien konijnen met rechte oren en vijf hangoorkonijnen geboren. De verhouding is ongeveer 3 : 1. De genotypen van de ouders zijn dan Bb en Bb. De genotypen van de ouders zijn dus AaBb en aaBb. Een van de ouders is zwart met rechte oren, de andere ouder is bruin met rechte oren. Multipele allelen Een diploïd organisme heeft voor elk gen twee allelen. Tot nu toe heb je bij kruisingsvraagstukken steeds gekeken naar erfelijke eigenschappen met twee verschillende allelen. Voor de haarlijn bijvoorbeeld bestaat een allel voor een rechte haarlijn en een allel voor een V-vormige haarlijn. Vaak bestaan er drie of meer verschillende allelen voor een erfelijke eigenschap, ook wel multipele allelen genoemd. Ook van erfelijke eigenschappen met multipele allelen komen in iedere lichaamscel twee allelen voor. Bij het AB0-systeem dat bij mensen de bloedgroep bepaalt, zijn er drie verschillende allelen voor een gen. Twee allelen zijn dominant (IA en IB ) en één allel is recessief (i). Er zijn vier bloedgroepen: A, B, AB en 0 (nul). Bij mensen bevatten lichaamscellen twee allelen voor de bloedgroep. De volgende genotypen zijn dan mogelijk: • IA I A en IA i: deze personen hebben bloedgroep A. • IB I B en IB i: deze personen hebben bloedgroep B. • IA I B : deze persoon heeft bloedgroep AB. • ii: deze persoon heeft bloedgroep 0. Een voorbeeld: een vrouw met bloedgroep AB krijgt een kind van een man met bloedgroep 0. 1 Wat zijn de genotypen van de ouders? De ouders (P) hebben genotype ♀ I A I B × ♂ ii. 2 Welke allelen kunnen de geslachtscellen van beide ouders bevatten? Een eicel kan allel IA of allel IB bevatten. Een spermacel kan allel i bevatten. 3 Welke mogelijkheden bestaan er voor de versmelting van een eicelkern en een spermacelkern voor de nakomelingen in de F1? ♀ ♂ I A I B i I A i I B i Letale factoren Bij sommige erfelijke eigenschappen komen letale factoren voor. Dan levert een allel in homozygote toestand geen levensvatbare cellen of een levensvatbaar individu op. Als twee geslachtscellen met dezelfde letale factor versmelten, sterft de zygote snel. Een deel van de verwachte nakomelingen wordt niet geboren, waardoor je bij de nakomelingen andere verhoudingen in de genotypen en fenotypen aantreft. Zo is bij muizen het agouti-gen verantwoordelijk voor het bepalen van de vachtkleur. Het allel (A) levert een donkergrijze vachtkleur op. Een gemuteerd dominant allel (AY ) van het agouti-gen levert een veel lichtere, gelige vachtkleur op. Dit gen bevat ook een letale factor. Muizen met het genotype AYA Y sterven daardoor als embryo in de baarmoeder. Twee gele muizen worden gekruist. Welke fenotypen verwacht je in de F1 en in welke verhouding? 1 Wat zijn de genotypen van de ouders? De ouders (P) hebben genotype ♀ AAY × ♂ AAY . 2 Welke allelen kunnen de geslachtscellen van beide ouders bevatten? Een eicel en een spermacel kunnen beide allel A of allel AY bevatten. 3 Welke mogelijkheden bestaan er voor de versmelting van een eicelkern en een spermacelkern voor de nakomelingen in de F1? Het kruisingsschema is dan zoals aangegeven in afbeelding 46. Ongeveer 25% van de embryo’s heeft genotype AYA Y en wordt niet geboren. Deze nakomelingen tel je niet mee in de verhouding. De verhouding van fenotypen in de F1 is dan: gele muizen : donkergrijze muizen = 2 : 1 of 67% : 33%. Gekoppelde overerving Bij dihybride kruisingen met onafhankelijke overerving liggen de twee genenparen in verschillende chromosomenparen. De twee genenparen kunnen ook in hetzelfde chromosomenpaar liggen (zie afbeelding 49). Dan spreek je van gekoppelde genen en van gekoppelde overerving. Bij een dihybride kruising met gekoppelde overerving is slechts één chromosomenpaar betrokken. In kruisingsvraagstukken kun je de koppeling van genen in de chromosomen als volgt weergeven: • het genotype van een homozygoot dominant individu: GGNN of GNGN • het genotype van een homozygoot recessief individu: ggnn of gngn • het genotype van een heterozygoot individu: GgNn of GNgn De gekoppelde allelen van gekoppelde genen liggen op één chromosoom en worden samen doorgegeven aan de nakomelingen. Een geslachtscel van een homozygoot dominant individu bevat dan een chromosoom met GN. Een geslachtscel van een homozygoot recessief individu bevat een chromosoom met gn. En een geslachtscel van een heterozygoot individu kan een chromosoom met GN of met gn bevatten. Als een dominant allel gekoppeld is aan een recessief allel, kan het chromosoom ook Gn of gN bevatten. In afbeelding 50 zie je de mogelijke genotypen van de geslachtscellen bij onafhankelijke overerving van twee genen en bij gekoppelde overerving van twee genen. Beide individuen zijn heterozygoot voor alle eigenschappen. Overerving die anders verloopt Soms wordt de koppeling van allelen verbroken. Aan het begin van meiose I (in de metafase) liggen homologe chromosomen bij elkaar. Wanneer ze spiraliseren, kunnen de chromatiden van twee homologe chromosomen in elkaar verstrengeld raken. Als dan breuken ontstaan in de DNA-moleculen van de chromatiden die niet worden hersteld, kan crossing-over optreden. Hierbij worden de afgebroken chromosoomdelen uitgewisseld: ze hechten aan het andere chromosoom van het homologe paar (zie afbeelding 51 en BiNaS tabel 76B). Crossing-over kan in een chromosoom op elke willekeurige plaats optreden. Eén chromosoom kan daardoor allelen van twee verschillende ouders bevatten. Zo ontstaan nieuwe haplotypen. Daardoor versterkt crossing-over het effect van recombinatie tijdens de meiose, waardoor een grotere verscheidenheid aan genotypen binnen een populatie ontstaat. Er zijn meer oorzaken waardoor de overerving anders verloopt dan je zou verwachten. Zo kan door milieufactoren een allel van een allelenpaar bij het ene individu niet tot expressie komen en bij een andere individu met hetzelfde allelenpaar wel. Bij bepaalde muizen bijvoorbeeld kan door voeding de vachtkleur veranderen van oranjekleurig naar bruin. Niet alleen de celkern bevat DNA, ook de mitochondriën bevatten een klein, cirkelvormig DNA-molecuul met een klein aantal genen: mitochondriaal DNA (of mtDNA). De mitochondriale genen erven zowel bij planten als dieren over via eicellen en niet via spermacellen of stuifmeelkorrels. Een eicel bevat veel mitochondriën. Bij dieren bevinden de mitochondriën van de spermacellen zich in de staart en die blijft bij de bevruchting meestal achter, want alleen de kop van de spermacel dringt de eicel binnen. Hierdoor komen de mitochondriën van de spermacel niet in de eicel terecht. Nature versus nurture Het fenotype wordt bepaald door het genotype en door milieufactoren. Hoe groot de invloed is van het genotype en milieufactoren op het fenotype, kun je bij planten en dieren bepalen door middel van onderzoek. Sommige eigenschappen worden bijna uitsluitend bepaald door het genotype. Zo bepaalt je genotype je bloedgroep. Het milieu heeft hier geen invloed op. Andere eigenschappen worden (vrijwel) uitsluitend door milieufactoren bepaald, zoals een litteken of de lengte van je nagels. Het genotype stelt bij veel eigenschappen de uiterste grenzen vast en het milieu bepaalt hoe dicht de grenzen worden benaderd. Bij een mens kan in het genotype vastliggen dat een persoon maximaal 1,80 m lang kan worden. Als alle milieufactoren optimaal zijn, zal deze lengte worden bereikt. Krijg je tijdens de groei te maken met bijvoorbeeld gebrek aan voedsel, weinig slaap, zware arbeid of langdurige ziekte, dan zal deze lengte niet worden bereikt. Hetzelfde genotype leidt dus niet altijd tot hetzelfde fenotype, maar tot een reeks mogelijkheden van het fenotype als gevolg van de invloed van het milieu. De rol van opvoeding op het fenotype houdt psychologen, onderwijskundigen en opvoedkundigen behoorlijk bezig. Hoe groot is bijvoorbeeld de rol van aanleg (nature) en opvoeding (nurture) op je schoolprestaties? Bij mensen is deze rol van het milieu (opvoeding) en genotype (aanleg) op het fenotype lastig te bepalen, want je kunt niet zomaar experimenten met mensen doen. Tweelingenonderzoek (afbeelding 55) is wel geschikt om de invloed van genen en milieufactoren op menselijke eigenschappen te onderzoeken. Tweelingenonderzoek De genotypen van eeneiige tweelingen zijn hetzelfde, die van twee-eiige tweelingen zijn verschillend. Maar bij zowel eeneiige als twee-eiige tweelingen zijn de leeftijd en de omgeving waarin ze opgroeien gelijk. Hierdoor kunnen onderzoekers de invloed van omgevingsfactoren en genen op fenotypen bepalen. Tweelingen zijn daarom ideaal als vergelijkingsmateriaal: ‘gelijk genotype en gelijk milieu’ versus ‘verschillend genotype en gelijk milieu’. Wanneer de helften van eeneiige tweelingen, bijvoorbeeld door adoptie, van jongs af aan in verschillende gezinnen opgroeien, kun je te weten komen wat de invloed is van milieufactoren op het fenotype (gelijk genotype en verschillend milieu). Epigenetica De verhouding van fenotypen bij nakomelingen na een monohybride kruising kan afwijken van wat je had verwacht. Bijvoorbeeld door de aanwezigheid van een letale factor of door een mutatie in een vroeg embryonaal stadium. Milieufactoren hebben ook invloed op het fenotype omdat ze de activiteit van genen bepalen. Ze kunnen genen aanof uitzetten. Al tijdens de embryonale ontwikkeling worden in de cellen genen onder invloed van milieufactoren selectief aan- of uitgezet. Daardoor ontstaan de verschillende typen cellen, zoals huidcellen, spiercellen en levercellen. Ook later worden er in een organisme genen aan- of uitgezet onder invloed van milieufactoren. Epigenetica bestudeert het mechanisme dat allelen in een organisme aan- en uitzet en de invloed van milieufactoren hierop (zie afbeelding 56). Dit mechanisme wordt ook wel het epigenoom genoemd. De DNA-sequentie van een allel wordt niet gewijzigd door epigenetische mechanismen. Uit onderzoek bij muizen blijkt bijvoorbeeld dat kenmerken van een westers voedingspatroon (onder andere overconsumptie van suiker en vet) epigenetische mechanismen in werking zetten. Het westerse voedingspatroon blijkt tumoronderdrukkende genen te remmen, met een verhoogd risico op kanker tot gevolg. De wijzigingen in de genexpressie van een allel zijn vaak omkeerbaar. Een deel van de wijzigingen is wel stabiel en erfelijk en wordt doorgegeven aan de nakomelingen. Het kan vele generaties duren voordat een toevallig gunstige mutatie in het genoom van een individu zich blijvend in een populatie nestelt. Hierdoor is het voor een soort niet mogelijk om zich snel aan te passen aan veranderingen in de omgeving. Daarvoor zijn epigenetische mechanismen wél geschikt. Terwijl het genoom nauwelijks verandert, kunnen organismen door epigenetische mechanismen toch snel zijn aangepast aan veranderingen in hun omgeving. Genen en steeds veranderende milieufactoren bepalen dus het fenotype. Bij eeneiige tweelingen leiden epigenetische mechanismen in de loop van hun leven tot steeds duidelijkere verschillen in uiterlijk en gedrag. Het genotype van eeneiige tweelingen is gelijk, maar of bepaalde genen wel of niet tot uiting komen in het fenotype kan onderling verschillen. De genen van ouders kunnen verschillende rollen tijdens de embryonale ontwikkeling hebben. Sommige genen van de moeder zijn in een embryo altijd uitgeschakeld, de actieve kopie komt dan van de vader. Inactieve genen kunnen ook van de vader afkomstig zijn. In dat geval komt het gen van de moeder tot expressie. Een aantal van deze genen zorgt voor de groei van een baby. Het Igf2-gen bijvoorbeeld is verantwoordelijk voor de productie van het hormoon Igf2. Tijdens de embryonale ontwikkeling is dit hormoon belangrijk voor de groei van de foetus in de baarmoeder. Het allel dat van de vader is geërfd is dan actief, terwijl dat van de moeder niet tot expressie komt. Daardoor wordt er een normale hoeveelheid van het hormoon Igf2 gemaakt en ontwikkelt de foetus zich normaal. Wanneer een embryo in een vroeg stadium wordt blootgesteld aan een ernstig voedseltekort, zal het Igf2-gen dat afkomstig is van de moeder actiever worden en blijven. Daardoor wordt er meer Igf2-hormoon afgegeven. Het kind heeft dan een grotere kans op overgewicht, hartziekten en diabetes. Hieruit blijkt dat voedseltekort epigenetische effecten kan hebben.