Dva gény, ktoré sa nachádzajú na nehomologických chromozómoch, majú rovnakú šancu dostať sa do ďalšej generácie prostredníctvom gamét nezávisle na sebe. Hovoríme u nich o voľnej kombinovateľnosti, ktorá je predpokladom vzniku mendelistických štiepnych pomerov. Ak sú však gény lokalizované na tom istom chromozóme, majú tendenciu dediť sa ako celok, a to tým viac, čím sa ich lokusy nachádzajú bližšie pri sebe. O takýchto génoch hovoríme, že sú vo väzbe a tvoria väzbovú skupinu.
Väzbu génov intenzívne študoval americký zoológ a embryológ THOMAS HUNT MORGAN (1866–1945). Pri svojej práci s krížením drozofíl rozšíril poznanie dovtedajšej klasickej mendelistickej genetiky o princípy génovej väzby, ktoré sú známe ako Morganove pravidlá:
- gény lokalizované na jednom chromozóme sa dedia spoločne (tvoria väzbovú skupinu)
- gény sú v chromozóme uložené lineárne (za sebou)
- existuje toľko väzbových skupín, koľko je chromozómov v jednej haploidnej sade (napríklad človek má n = 23, takže má 23 väzbových skupín)
Rekombinácia link
Rekombinácia (angl. crossing-over) je jav, ktorým sa vymieňajú úseky homologických chromozómov počas pachytene v profáze I. meiotického delenia pri vzniku pohlavných buniek. Miesta, kde dôjde k zlomu a výmene nesesterských chromatíd homologických chromozómov, sa nazývajú chiazmy. Frekvencia rekombinácie závisí od vzdialenosti génov na chromozóme.
Prostredníctvom rekombinácie sa vytvárajú nové typy gamét. Potomkovia, ktorí vykazujú rovnaký genotyp ako ich rodičia, sa volajú parentálne (rodičovské) genotypy. Ak dôjde počas tvorby gaméty k rekombinácii, vznikajú rekombinantné genotypy.
Priebeh rekombinácie na bunkovej úrovni (zjednodušený model):
- Bunka v S-fáze obsahuje 2 súbory homologických chromozómov (napríklad modré a zelené), z ktorých každý má dve zreplikované sesterské chromatídy. Bunka je napríklad genotypu AaBb.
- V profáze I. meiotického delenia dochádza ku konjugácii a rekombinácii medzi dvoma nesesterskými chromatídami homologických chromozómov.
- Po výmene úsekov vznikajú 2 parentálne gaméty s genotypom AB a ab a 2 rekombinantné gaméty s genotypom Ab a aB.
Tento model predpokladá, že alely sú usporiadané vo väzbovej fáze cis (dominantné alely na jednom chromozóme, recesívne na druhom). Existuje však aj fáza trans, kedy na jednom chromozóme leží Ab a na druhom aB. V takom prípade by parentálne gaméty boli Ab a aB, zatiaľ čo rekombinantné by boli AB a ab. Tento detail je kľúčový pre správne riešenie genetických úloh.
Podľa umiestnenia génov na chromozóme rozlišujeme tieto 3 prípady:
- gény nie sú vo väzbe – gény sú v takej vzdialenosti od seba, že rekombinantné gaméty vznikajú s rovnakou pravdepodobnosťou ako gaméty parentálneho typu. Aj keby boli gény na jednom obrovskom chromozóme umiestnené na jeho opačných koncoch, maximálna frekvencia rekombinácie je vždy 50 %. Nad 50 % sa už gény javia ako voľne kombinovateľné.
- neúplná väzba – vzdialenosť medzi génmi umožňuje, aby došlo k vzájomnej výmene nesesterských chromatíd a vzniku rekombinantných gamét
- úplná väzba – rodič vytvára len dva typy gamét (výlučne parentálne), pretože sú gény veľmi blízko seba, čím sa znižuje pravdepodobnosť vzniku crossing-overu medzi nimi na absolútne minimum
Dvojitý crossing-over link
Jednoduchý crossing-over medzi dvoma nesesterskými chromatídami homologických chromozómov produkuje najviac polovicu rekombinantných a polovicu parentálnych genotypov. Pri tvorbe genetických máp treba brať ohľad ako na jednoduchý, tak aj na dvojitý crossing-over, keď dochádza k výmene úsekov medzi homologickými chromozómami na viacerých miestach.
Dvojitý crossing-over môže zahŕňať dve, tri alebo všetky štyri chromatídy. Ak prebehne medzi dvoma rovnakými nesesterskými chromatídami, výsledkom sú všetky štyri genotypy parentálneho typu. Ak dvojitý crossing-over zahŕňa tri chromatídy, vzniká 50 % parentálnych a 50 % rekombinantných genotypov. Ak rekombinácia zasiahne všetky štyri chromatídy, výsledkom je 100 % rekombinantných genotypov. Ak vyhodnotíme veľké množstvo meióz na dvojitý crossing-over, výsledkom bude opäť maximálne 50 % parentálnych a 50 % rekombinantných genotypov.
Pri opise dvojitého crossing-overu a konštrukcii máp je kľúčové spomenúť jav nazývaný interferencia. Výskyt jedného crossing-overu fyzicky potláča vznik ďalšieho crossing-overu v priľahlých oblastiach chromozómu. Miera tohto potlačenia sa odborne vyjadruje pomocou koeficientu koincidencie, čo je pomer počtu skutočne pozorovaných dvojitých crossing-overov ku počtu tých teoreticky očakávaných.
Symbolika link
Genotyp, ktorý je tvorený génmi vo väzbe, sa spravidla nezapisuje klasicky do riadku, ale pod seba (často formou zlomku), pričom sú alely oddelené dvojitou čiarou naznačujúcou homologické chromozómy. V prípade dvojitého heterozygota môžu nastať dva prípady usporiadania alel:
- cis-fáza (angl. coupling) – dve dominantné alely sa nachádzajú na jednom chromozóme a dve recesívne alely na druhom. Štandardný zlomkový zápis je AB/ab.
- trans-fáza (angl. repulsion) – každý chromozóm nesie po jednej dominantnej a jednej recesívnej alele. Štandardný zápis je Ab/aB.
Mapovacie jednotky link
Na genetických mapách sa vzdialenosti nepočítajú tak, ako sme zvyknutí z normálneho sveta fyzikálnych dĺžkových jednotiek. Vychádzajú z genetických javov, predovšetkým frekvencie crossing-overu, takže sa niekedy nazývajú aj väzbové mapy. Systematické vytváranie genetických máp na základe frekvencie crossing-overu nezaviedol priamo Morgan, ale jeho žiak a pokračovateľ ALFRED STURTEVANT. Na kvantitatívne stanovenie vzdialenosti medzi dvoma génmi sa používa frekvencia, s akou vznikajú rekombinantné gaméty v porovnaní s tými rodičovskými.
Úplnej väzbe zodpovedá frekvencia 0 % (rekombinantné gaméty vôbec nevznikajú), zatiaľ čo voľnej kombinovateľnosti zodpovedá frekvencia 50 %. Jedna mapovacia jednotka zodpovedá 1 % výskytu crossing-overu medzi dvoma génmi a nazýva sa centimorgan [cM] (pomenovaná po T. H. Morganovi). Jeden centimorgan teda znamená takú vzdialenosť medzi dvoma génmi, ktorá dovolila vzniku crossing-overu a rekombinanta v jednom prípade zo 100.
Štiepne pomery pri väzbe vlôh sú iné ako pri voľnej kombinovateľnosti. Pri génovej väzbe nie sú štiepne pomery stabilné, ale sú podmienené silou väzby, ktorá je priamo úmerná vzdialenosti génov na chromozóme. Čím bližšie budú dva lokusy umiestnené voči sebe na chromozóme, tým silnejšia bude väzba, pretože pravdepodobnosť vzniku crossing-overu práve v mieste medzi týmito dvoma génmi klesá.
Dvojbodový test link
V dvojbodovom testovacom krížení sledujeme vzdialenosť medzi dvoma génmi meraním frekvencie vzniku parentálnych a rekombinantných genotypov. Pri tomto teste dostaneme dva parentálne typy v približne rovnakých frekvenciách a dva rekombinantné typy, ktoré sa vyskytujú tiež približne v rovnakých frekvenciách. Vlastný fenotyp bude potom závisieť od usporiadania týchto dvoch alelických párov, t. j. či sú vo fáze cis alebo trans.
Na stanovenie sily väzby sa používa nasledovný vzorec:
\( \frac{\text{počet rekombinantov}}{\text{počet všetkých jedincov}} \times 100 = \text{frekvencia rekombinantov [\%]} \)
Z matematického hľadiska ide o určenie, koľko percent zo všetkých potomkov je po krížení rekombinantných. V kontexte genetického mapovania následne platí, že jedno percento (1 %) rekombinantov považujeme za jednotku vzdialenosti medzi génmi, teda 1 cM. Dvojbodový test možno spoľahlivo použiť pri mapovaní génov vtedy, ak gény ležia relatívne blízko pri sebe.
Trojbodový test link
Hoci sa genetické mapy dajú robiť pomocou sérií dvojbodových testov, dvojbodový test nepostačuje na presné určenie poradia génov a pri väčších vzdialenostiach nezachytí skryté dvojité crossing-overy. Preto genetici štandardne mapujú viac génov naraz pomocou komplexnejších metód. Základom konštrukcie presných genetických máp je trojbodový test, ktorý spočíva v krížení trojnásobného heterozygota s trojnásobným recesívnym homozygotom:
\( \frac{ABC}{abc} \times \frac{abc}{abc} \)
Pri hodnotení testu je dôležité určiť v prvom rade poradie génov a ich väzbovú fázu. Ak mapujeme tri gény A, B a C, môže byť ich poradie na chromozóme ABC, ale aj napríklad ACB. Pri určení poradia vychádzame z frekvencie dvojitých rekombinantov, ktorých je vždy najmenej, a z fenotypu, ktorý takýto genotyp podmieňuje. Naopak, najpočetnejšie budú vždy parentálne typy, u ktorých neprebehol žiadny crossing-over.
Vzdialenosť medzi génmi určíme taktiež pomocou frekvencie rekombinantov, pričom vychádzame z predpokladu, že výskyt crossing-overu je náhodný proces. Preto platí, že čím bude frekvencia rekombinantov nižšia, tým budú gény na chromozóme umiestnené bližšie pri sebe. Pre exaktné stanovenie vzdialenosti medzi dvoma susednými lokusmi (napríklad A a B) však platí prísne pravidlo: k počtu jednoduchých rekombinantov v danom úseku nesmieme zabudnúť pripočítať aj jedincov z dvojitého crossing-overu.
