Geneetika ja liigid 25-28

Blogi, mis räägib kõigest, mis on Leonhardile oluline ja/või huvitav. Kommenteerige, tellige, lugege, nautige ja õppige.

25. Komplekssete tunnuste päritavus.

 

Pärast Mendeli seaduste taasavastamist 20-nda sajandi algul otsisid bioloogid võimalust, kuidas ühendada esialgu vastandlikena näivaid Darwini ja Mendeli vaateid organismide muutlikkusele. Vastavalt Darwini õpetusele on evolutsiooniliste muutuste toimumine pidev astmeline protsess. Looduslik valik toimib läbi väikeste päritavate muutuste indiviidi tasemel, mis viib järk-järgulistele muutustele populatsiooni tasemel. Silmatorkavad muutused fenotüübis nagu näiteks kääbuskasv või lisasõrmede (varvaste) olemasolu ei oma evolutsioonilises mõttes tähtsust, kuna need elimineeruvad loodusliku valiku toimel populatsioonist kiiresti.

 

Darwini nõbu Francis Galton püüdis tunnuste pidevat muutlikkust kirjeldada, toetudes “gemmulate” (gemmules) kontseptsioonile. Selle järgi määravad tunnuseid geneetilised elemendid, mida Galton nimetas gemmulateks. Mida rohkem gemmulaid osaleb konkreetse tunnuse määramisel, seda enam tunnus varieerub. Näiteks, kui musta ja valget värvust kontrollivad kolm gemmulat, siis on tulemuseks neli erinevat värvuse kombinatsiooni: must (3 musta), tumehall (2 musta, 1 valge), helehall (1 must, 2 valget) ning valge (3 valget). Kui tunnust kontrollivad  6 gemmulat, ilmnevad 7 erinevat fenotüübilist klassi – valge ja must ning nende 5 erinevat varjundit. Seda tüüpi fenotüübilist lahknemist 1:6:15:20:15:6:1 saab kujutada ühtlase kõverana, ja nagu näeme, on vahepealse fenotüübiga isendeid tunduvalt rohkem, kui äärmusliku fenotüübiga.

 

Mendeli seadused kirjeldavad tunnuste vastandlike vormide pärandumist (kui ristata kääbuskasvulisi herneid kõrgekasvuliste hernestega, siis järglased on…). Mendel valis katseteks välja äärmuslikud variandid. Tegelikult on populatsioonis väga erineva kasvuga taimi, samuti varieerub õite värvus ning seemnete tekstuur astmeliselt. Kas on siis üldse võimalik rakendada Mendeli seadusi pideva muutlikkusega tunnuste pärandumisel? Tänu briti geneetiku ja statistiku Ronald Fisheri poolt loodud kvantitatiivsete tunnuste pärandumise mudelile võime öelda, et jah. Fisheri mudel hõlmab iga geeni individuaalset mõju tunnusele, tunnuse kujunemisel osalevate geenide arvu, geenide ja keskkonna osakaalu tunnuse avaldumisel ning Mendeli lahknemisseadusi. 

 

Mitmealleelsus ning tunnuse pidev muutlikkus.

 

Tunnuse pidev muutlikkus populatsioonis esineb näiteks sel juhul, kui ühel ensüümil esineb mitu vormi, mis kõik erinevad üksteisest ensümaatilise aktiivsuse poolest. Sama geeni erinevate alleelide poolt kodeeritud  ensüüme nimetatakse allosüümideks.  Inimese vererakkudes on kirjeldatud kolm põhilist aluselise fosfataasi ACP varianti, mida määravad kolm alleeli ACP^A, ACP^B ja ACP^C. Need kolm alleeli kombineerumise tulemusena võivad tekkida kuus erinevat genotüüpi. Aluselise fosfataasi A, B ja C vormid on funktsionaalselt sarnased, kuid erinevad oma liikuvuselt geelelektroforeesil, sest nende aminohappelises järjestuses on erinevusi. Kuue erineva genotüübi puhul on valkude elektroforeetiline pilt erinev. Kõigi kolme homosügootse variandi puhul on geelis elektroforeetiliselt tuvastatavad kaks erinevat, igale tüübile spetsiifilist valgubändi, sest samal polüpeptiidil on kaks konformatsiooni, mis liiguvad geelis erinevalt. Iga erineva genotüübi puhul on ACP aktiivsus erinev, püsides teatavas väärtuste vahemikus. Erinevate genotüüpide korral need väärtused osaliselt kattuvad. Analüüsides ACP aktiivsust kogu populatsioonis saame pideva kõvera, mis näitabki, et selle tunnuse fenotüübiline muutlikkus populatsioonis on pidev.

 

Erinevate lookuste ja keskkonna mõju tunnustele.

 

Päriliku tunnuse pidev muutlikkus on määratud kahe faktori poolt:

1)        kaks ja enam alleelipaari segregeeruvad ning kombineeruvad järglaskonnas üksteisest sõltumatult;

2)        keskkonna mõjutused.

 

Motiveerituna Galtoni uuringutest, avaldas Wilhelm Johannsen aastal 1909 tulemused, kus ta näitas, et tunnuse muutlikkust mõjutab keskkond. Ta leidis, et ubade kaal varieerus 150 kuni 750 mg isegi homosügootsete liinide puhul. Muutlikkus säilus samas ulatuses homosügootses järglaskonnas läbi mitme põlvkonna ka siis, kui uute taimede kasvatamiseks valiti välja kõige suuremad või väiksemad oad.

 

Samal ajal ilmnes Herman Nilsson-Ehle töödest, et sama tunnust võivad mõjutada erinevad geenid. Tunnuse pidevat muutlikkust on võimalik selgitada Mendeli seadusi rakendades. Nilsson-Ehle postuleeris, et nisu terade värvust mõjutavad kolm erinevat geeni. Ristates valgete teradega nisu tumepunaste teradega nisuga sai ta F₁ põlvkonnas vahepealset värvi teradega järglased. Nende iseviljastumise tulemusena saadud F₂ põlvkonnas toimus aga lahknemine seitsmeks erinevaks fenotüübiks suhtega 1 tumepunane:6 suhteliselt tumepunast:15 punast:20 vahepealset punast:15 helepunast:6 nõrgalt helepunast:1 valge. Seega kontrollisid terade värvust kolm sõltumatult segregeeruvat ja kombineeruvat osaliselt dominantset alleelipaari. Punase pigmendi intensiivsus sõltus sellest, mitu erinevat pigmenti kodeerivat alleeli järglastel oli. Tumepunastel (AA BB CC) kodeerisid kõik 6 alleeli pigmentide sünteesi, valgete (aa bb cc) puhul ei kodeerinud seda aga ei ükski alleel. Vahepealsed värvused avaldusid nende alleelide kombineerumiste tulemusena.

 

Edward East vaatles korraga nii keskkonna kui ka erinevate alleelipaaride sõltumatu lahknemise ja kombineerumise osa järglaskonna pideva fenotüübilise muutlikkuse määramisel. Ta ristas kahte tubakataimede puhasliini (homosügoote), mis erinesid õiekroonide pikkuse poolest. Ühel liinil oli õite keskmine pikkus 41 mm, teisel 93 mm. Mõlema puhasliini puhul esines keskkonnast tingitud muutlikkus. F₁ põlvkonnas olid järglased vahepealse pikkusega õitega, kusjuures ilmnes ka keskkonnast tingitud muutlikkus. Järglaste iseviljastumise tulemusena saadud F₂ põlvkonnas oli muutlikkus suurem, kuna seda mõjutasid nii keskkond kui ka see, et järglaskond oli genotüübilt heterogeenne. Erinevat tüüpi F₂ järglaste iseviljastamisel saadud F₃ põlvkonna järglaste fenotüüp varieerus kitsamates piirides, selle keskmine korreleerus F₂ põlvkonnast valitud vanemate keskmise fenotüübilise muutlikkusega.

 

Leides F₂ põlvkonna lahknemissuhetest vanemate fenotüüpi kordavate isendite osakaalu, on mõnel juhul võimalik määrata, mitu erinevat geeni konkreetset tunnust kontrollivad. Kui 1/64 järglaskonnast omab identset fenotüüpi ühega F₁ põlvkonna vanematest, on tegemist kolme geeniga (trihübriidsel ristamisel on vanema genotüüp ühel 64-st järglasest). Just selline suhe ilmnes Nilsson-Ehle’i katsetes. Kui tegemist on nelja sõltumatu alleelipaari lahknemisega, peaks vanemtüüp ilmnema sagedusega 1/256, viie puhul aga sagedusega 1/1024. East analüüsis katsetes tubakataimedega 444 F₂ põlvkonna järglast ja ei leidnud sealt ühtegi, kes oleks väliselt identne ühega vanematest. Hiljem selgus, et tubakataimede õite pikkust kontrollivad 9 erinevat alleelipaari. Sellistesse arvutustesse tuleb siiski suhtuda ettevaatlikkusega, sest alati ei ole erinevate geenide mõju fenotüübile võrdne. Samuti võivad osa geene olla omavahel aheldunud. Lisaks tuleb arvestada keskkonna mõju.

 

Resistentsus DDT-le on tunnus, mida kontrollivad mitu geeni.

 

Putukad muutuvad DDT-le resistentseteks. Näiteks toakärbse populatsioonist oli algselt resistentne DDT-le 5%  ning 6 aastat pärast regulaarset DDT-ga kokkupuudet juba 50%. Resistentsust DDT-le põhjustavad neli erinevat mehhanismi:

1)        lipiidse komponendi osakaalu tõus rakkudes võimaldab lipiidides lahustuva DDT lokaalset kontsentratsiooni vähendada;

2)        teatavad ensüümid inaktiveerivad DDT-d efektiivsemalt;

3)        geneetiliselt determineeritud muudatused neuronite membraanides kaitsevad neuroneid DDT toksilise toime eest;

4)        muudatused putukate kitiinkestas vähendavad DDT võimet tungida organismi kudedesse.

 

Kõik need muutused on seotud muutustega genotüübis. Seega osaleb resistentsuse väljakujunemisel väga palju erinevaid geene.

 

 

 

Alternatiivsete fenotüüpide kompleksne päritavus.

 

Sellised tunnused nagu näiteks resistentsus DDT-le, õisikute pikkus, maisitõlvikute värvus ja ubade suurus on pideva varieeruvusega. Mõnede korraga paljude faktorite poolt kontrollitavate tunnuste avaldumine toimub aga ainult teatavate genotüübiliste variantide korral. Neid tunnuseid nimetatakse lävitunnusteks – ingl. k. “threshold traits”. Näiteks jänesemokale lisandub osadel juhtudel lõhe suulaes, osadel aga mitte. Tunnust määravate geneetiliste variantide rohkus on suur, kuid ainult väheste variantide puhul (alates teatavast geneetilisest lävest) kaasneb lõhestunud huulega lõhe suulaes, ning seda vaid teatavate keskkonna tingimuste korral. Sellist sõltuvust on näidatud ühemuna kaksikute puhul, kes on geneetiliselt identsed. Tunnus avaldub mõlemal kaksikul korraga 40% juhtudest. Kui kirjeldatud fenotüüp oleks määratud ainult geneetiliselt, siis peaks see avalduma mõlemal korraga 100%-liselt. Seos päritavusega ilmneb sugupuude analüüsist: esimese astme sugulastel, kes on geneetiliselt lähedasemad, avaldub see tunnus sagedamini kui teise-ja kolmanda astme sugulastel, kes on geneetiliselt heterogeensemad. 

 

Kvantitatiivsete tunnuste analüüs.

 

Looduslikes populatsioonides on harva leida diskreetseid (kvalitatiivselt erinevaid) fenotüübilisi klasse. Enamasti täheldame organismide pidevat muutlikkust uuritavate tunnuste osas. Selline muutlikkus on kvantitatiivne. Esimene samm komplekssete tunnuste analüüsimisel ongi katse kirjeldada neid kvantitatiivselt. Et seda teha, võetakse populatsioonist juhuslikud esindajad ning nende analüüsist saadud tulemustest tehakse üldistused suuremale populatsioonile. Arvutatud väärtused on statistilised.

 

Tunnuse kvantitatiivsete väärtuste esinemissageduste jaotuvus (frequency distribution).

 

Andmeid, mis kirjeldavad tunnust kvantitatiivselt, saab esitada graafiliselt, näidates, millise sagedusega teatavad väärtused jaotuvad. Horisontaaltelg, x-telg näitab tunnuse erinevaid väärtusi (näiteks kasvu) populatsiooni erinevate indiviidide korral, vertikaaltelg aga nende väärtuste sagedust.  Jälgiti näiteks nisu küpsemist päevades 40 taime puhul. Vt. Joonis 25.9.

 

Keskmine ja modaalklass (The Mean and Modal Class).

 

Valimi keskmine (sample mean) X arvutatakse sel viisil, et summeeritakse kõigi isendite andmed (SX_i) ning jagatakse need vaadeldud isendite arvuga n. Joonisel 25.9 on keskmine näidatud kolmnurgaga.

 

                     X =  SX_i /n

 

Joonisel 25.9 on F₁ ja F₂ järglaste keskmine terade küpsemise aeg vastavalt 62,20 ja 63,72 päeva. See on veidi lühem aeg kui vanemate keskmistest (55,85 ja 72,47 päeva) arvutatud keskmine (average of the means), mis on 64,16 päeva.

 

Modaalklass on väärtuste klass, kuhu jaotub analüüsitud valimist kõige enam indiviide. Joonisel 25.9 on see näidatud noolega.

 

Valimi varieeruvus ja standardhälve (The Variance and Standard Deviation).

 

Valimi keskmine üksi ei kirjelda seda, kui suures ulatuses andmed keskmisest väärtusest erinevad. Et seda kirjeldada, tuuakse sisse varieeruvuse (variance) mõiste. Varieeruvus mõõdab üksikute andmepunktide hajuvust keskmisest punktist. Valimi varieeruvus s² (sample variance) arvutatakse valemist

 

                     s² = S(X_i – X)² / (n – 1)

 

Valimi keskmisest erinemise kirjeldamiseks kasutatakse ka standardhälvet s (standard deviation). Standardhälve on ruutjuur valimi varieeruvusest.

 

                     s = Ös²  

 

Üksteisest ulatuslikumalt erinevate andmete puhul on nende varieeruvus ja standardhälve suurem (võrdle näiteks terade küpsemise aega joonisel 25.9 esitatud F₂ järglaskonna puhul, mis on genotüübilt heterogeensem võrreldes F₁ isendite ja vanematega). Kui vanemad on homosügootsed, siis on erinevused nende puhul tingitud keskkonna mõjudest.

 

Enamasti on kvantitatiivsete tunnuste väärtusi kujutav kõver keskmise väärtuse suhtes sümeetriline. Sellist jaotuvust nimetatakse normaalseks jaotuvuseks (normal distribution).

 

Korrelatsioonikoefitsient.

 

Mõnikord on erinevate omaduste mõõtmistulemuste seeriad omavahel seotud. Näiteks uuritakse populatsioonis kasvu ja kaalu muutlikkust ning soovitakse leida korrelatsiooni nende tunnuste väärtuste suhtes suguluses olevate indiviidide puhul. Tekib küsimus, kas isa ja poegade kaalu vahel esineb seos. Appi võetakse korrelatsioonikoefitsient r.

 

                     r =  S[(X_i – X)  (Y_i – Y)]/ ((n – 1)s_x s_y),

 

kus X_i ja Y_i on i-nda mõõtmise andmed ning X ja Y valimi keskmised andmed. s_x ja s_y on vastavalt nende standardhälbed. n näitab valimi suurust. Korrelatsioonikoefitsient varieerub - 1 kuni + 1. Väärtuse – 1 korral on tegemist täielikult negatiivse korrelatsiooniga X ja Y vahel, näiteks pikakasvulistel isadel on lühikesed pojad. Väärtuse + 1 korral on tegemist positiivse korrelatsiooniga  (pikakasvulistel isadel on pikakasvulised pojad). Väärtuse 0 puhul korrelatsioon puudub. Inimestel on nii kasv kui kaal positiivses korrelatsioonis. Samas on kodulindude munade suurus ja nende arv negatiivses korrelatsioonis: kanad munevad näiteks vähem suuri või suuremal arvul väiksemaid mune. Paljude väärtuste vahel aga korrelatsioon puudub (näiteks korrelatsioon indiviidide kasvu ja IQ vahel).

 

Regressioon

 

Isade ja poegade kaal ja kasv on positiivses korrelatsioonis. Samas ei näita korrelatsiooni koefitsient tunnuste väärtusi (näiteks, kui pikk võiks olla poeg teatava kasvuga isa puhul). Appi võetakse regressioonanalüüs. Suhet kahe varieeruvuste seeria (two variables) vahel kirjeldab regressiooni joon (regression line). See matemaatiliselt leitud joon näitab nende seeriate erinevate väärtustega andmete kõige paremat kokkulangevust.   

 

 

Päritavus

 

Fisheri biomeetrilise teooria põhjal on kvantitatiivsed tunnused multifaktoriaalsed – kontrollitud paljude geenide lookuste poolt, mis sisaldavad hulga erinevaid alleele ning keskkonnategurite poolt, mis modifitseerivad genotüübi avaldumist (tunnuse modifikatsiooniline muutlikkus). Tekib küsimus, kui suures ulatuses on populatsioonisisene muutlikkus tingitud indiviidide geneetilisest heterogeensusest ning kui suures ulatuses erinevatest keskkonnatingimustest.

 

Päritavus (heritability) on kvantitatiivse tunnuse populatsioonisisese muutlikkuse see osa, mis on tingitud genotüübilistest erinevustest indiviidide vahel. Ülejäänud osa tunnuse  muutlikkusest on tingitud kas puhtalt eksogeensetest (keskkonna) tingimustest või genotüüpide ja keskkonnategurite vastasmõjust.

 

Multifaktoriaalsed tunnused on näiteks keha suurus, isendi viljakus, organismi vastupanu haigustele, vererõhu tase ja kolesterooli tase organismis.

 

Selleks, et mõõta päritavuse osa tunnuse muutlikkuses, tuleb määrata tunnuse kogu muutlikkus V_t ning leida selles geneetilistest erinevustest tingitud muutlikkuse V_g ja keskkonnateguritest tingitud muutlikkuse V_e osa. Seega,

 

V_t = V_g + V_e  

 

Näiteks on mõõdetud ensüümi A aktiivsust kahe erineva genotüübi ja kahe erineva keskkonna korral (A = 32; 28; 24; 20). Eelpool toodud valemeid kasutades arvutatakse valimi keskmine (= 26) ja varieeruvus s² (= 26,66) mis kajastab kogu fenotüübilist muutlikkust V_t. Teisel juhul elimineerime keskkonnateguritest põhjustatud erinevused ning arvutame erinevate genotüüpidega isendite ensüümi A aktiivsuste (A = 32; 32; 24; 24) põhjal muutlikkuse V_g (= 21,33). Kolmandal juhul varieerime keskkonnatingimusi identsete genotüüpide korral ja leiame ensüümi A aktiivsuste (A = 32; 32; 28; 28) põhjal V_e (= 5,33).

 

Päritavuskoefitsient.

 

Päritavuskoefitsient h² väljendab geneetilise muutlikkuse suhteosa V_g tunnuse üldisest populatsioonisisesest muutlikkusest V_t antud keskkonna tingimustes.

 

                     h² = V_g / V_t

 

Eelpooltoodud ensüümiaktiivsuse näite korral on see 21,33 : 26,66 = 0,80

 

Päritavuskoefitsient varieerub nullist üheni. Väärtuse 0 korral ei ole fenotüübiline muutlikkus tingitud genotüübilistest erinevustest, väärtuse 1,0 korral on aga kogu fenotüübiline varieeruvus põhjustatud geneetilistest faktoritest. Päritavuskoefitsient näitab tunnuse geneetilise muutlikkuse osa antud geneetilise struktuuriga populatsioonis konkreetsetes keskkonnatingimustes. See ei näita tunnuse päriliku tingituse määra ega mehhanismi üksikindiviidide arengus.

 

Kunstlik valik.

 

Teades kvantitatiivsete tunnuste päritavuskoefitsienti, on võimalik ennustada kunstliku valiku teel saadud järglaskonna kvantitatiivseid tunnuste omadusi. Kunstlik valik (artficial selection) on eksperimentaatori väi aretaja poolt teostatud valik bioloogilistele objektidele eesmärgiga saada teatud vajadustele või soovidele ja rakendatud tingimustele vastavaid vorme (liine, tüvesid, sorte, tõuge). Suguliselt sigivate organismide (näit. koduloomad, kultuurtaimed) puhul seisneb kunstlik valik peamiselt valitud genotüüpidega (või fenotüüpidega) isendite kontrollitud ristamises ning järglaste valikus geneetiliste omaduste järgi.

 

Mardikatega Tribolium castaneum eksperimenteerides rakendati neile kunstlikku valikut 125 põlvkonna vältel. Sel teel saadi isendid, kelle nukkude kaal oli kahekordistunud. Kuna selekteeritud populatsioonist jäi kõigi indiviidide puhul ka kõige väiksemate nukkude kaal suuremaks algse populatsiooni kõige suuremate nukkude kaalust, tõestas see, et populatsioon oli geneetiliselt muutunud. Siiski ei kasvanud kunstliku valiku käigus saadud isendite nukkude keskmine kaal põlvkondade vältel ühtlaselt. Kui algul oli muutuste kiirus ennustatav, siis peale 40-ndat põlvkonda see aeglustus võrreldes eeldatavaga. Nagu selgus, olid mardikate suurem kasv ja paljunemisvõime negatiivses korrelatsioonis. Teatud piirist suuremaid mardikaid polnud enam võimalik selekteerida, sest seda takistas looduslik valik. Kui näiteks kunstliku valiku teel saadud isenditele pärast 50-ndat põlvkonda kunstlikku valikut edaspidi enam ei rakendatud, siis 110-ndaks põlvkonnaks oli populatsioon jälle algse suurusega. Seega tuleb kunstliku valiku puhul arvestada bioloogiliste objektide looduslikke limiite.

 

 

 

 

Genotüübi ja keskkonnatingimuste interaktsioon.

 

Genotüübi ja väliskesskonna kompleksset interaktsioon iseloomustab hästi järgmine näide. Laboris tehti katseid rottidega, mõõtes nende edukust labürindi läbimisel. Osa rotte läbisid labürinti kiiresti, tehes vähe vigu ning neid hakati nimetama “nutikateks”. Identifitseeriti ka teine grupp katseloomi, keda nimetati “juhmideks”, kuna nad kulutasid labürindi läbimiseks oluliselt kauem aega ja tegid palju vigu. Rakendades kunstlikku valikut, aretati välja kaks erinevat rotiliini – nutikad ja juhmid. Kuigi geneetiliselt erinevad, avaldus nende juhmus või nutikus ainult teatud tingimustes – labürindi läbimiskatsetes. Kui rotid viidi mõnda teise keskkonda, ei olnud erinevusi märgata.

 

Inbriiding ja heteroos.

 

Lähedalt suguluses olevate isendite ristumist nimetatakse inbriidinguks (inbreeding). Inbriidingu tulemusena suureneb populatsioonis homosügootide osakaal ja väheneb heterosügootide osakaal. Inbriidingu kõige ekstreemsem vorm on taimede iseviljastumine. Aa heterosügootide iseviljastumise tulemusena on järgmises põlvkonnas 50% homosügoote ning 50% heterosügoote. Kui ka selle põlvkonna taimed iseviljastuvad, siis nende järglaskonnas on heterosügootide osakaal vähenenud 25%-ni ja kui sama kordub ka järgmiste põlvkondade puhul, on 10-ndas põlvkonnas 99,9% homosügoote. Populatsioonides, kus inbriiding on tavaline, on homosügootsuse tase kõrgem ning avalduvad paljud retsessiivsed tunnused.

 

Inbriiding mõjutab kvantitatiivseid tunnuseid nagu näiteks keha suurus, elujõulisus, viljakus. Mida suurem on populatsioonis inbriidingu osakaal, seda väiksema elujõulisusega ja madalama viljakusega populatsioon on. Inbriidingu negatiivne efekt tuleneb kahjulike retsessiivsete alleelide avaldumisest homosügootides.

 

Kui ristumine toimub omavahel mittesuguluses olevate isendite vahel, nimetatakse seda autbriidinguks (outbreeding). Osadel taimedel on leitud lookus S mis kontrollib gameetidevahelist sobimatust. Näiteks alleeli S₁ kandev tolmutera ei saa viljastada munarakku S₁S₂ taimedel, küll aga S₂S₃ taimedel. See mehhanism takistab homosügootide teket ristumise tulemusena. Autbriidingu tulemusena võime näha heteroosi efekti, kus hübriidid on vanematest elujõulisemad, seda eeskätt geneetiliselt erinevate inbriidingu tulemusena saadud homosügootsete vanemate ristamisel.

 

 

Kvantitatiivsete tunnuste molekulaarne analüüs.

 

Geneetilisi lookuseid, mis määravad kvantitatiivseid tunnuseid, tähistatakse QTL (quantitative trait loci). QTL lookuseid kaardistatakse, kasutades genoomis leitud geneetilisi markereid. Molekulaarsete meetodite rakendamine nagu DNA sekveneerimine, restriktsioonisaitide polümorfism ja valkude elektroforees võimaldavad tuua välja erinevusi indiviidide vahel.  

 

Epilepsia puhul tuntakse erinevaid vorme. Teatud tüüpi epilepsiat põhjustav geen on lokaliseeritud 10-nda kromosoomi pikka õlga, epilepsia teistsugust vormi põhjustav geen aga 20-ndasse kromosoomi. Leitud on ka epilepsiat põhjustav geen 8-ndas kromosoomis.

 

Diabeet.

 

Diabeetikutel on glükoosi tase veres kõrge, kuna glükoosi kasutamine ja transport on häiritud insuliini puudumise või insuliini resistentsuse tõttu. Diabeet kahjustab neerude, silmade, närvide ja vererakkude funktsioone.

 

1.         Insuliinist sõltuv diabeet (tüüp I, IDDM). IDDM on autoimmuunhaigus, kus organismis toodetakse antikehi insuliini produtseerivate pankrease b-rakkude vastu. Sellised haiged vajavad insuliini teraapiat. Geen IDDM1 on lokaliseeritud kromosoomi 6 ning see on aheldunud HLA regiooniga (koesobivusantigeenid). 11-ndas kromosoomis on insuliini ja insuliini–laadset kasvufaktorit IGF kodeerivate geenide lähedalt leitud ka geen IDDM2, mille defektsus põhjustab samuti diabeeti. IDDM esineb eeskätt haigetel, kes kannavad HLA alleele DR4 ja DR3 või DQ. Ühemunakaksikutel avaldub diabeet mõlemal korraga ainult pooltel juhtudel, mis näitab, et ka keskkonnal on suur osa haiguse väljakujunemisel. IDDM võib olla indutseeritud näiteks viiruste poolt, kui viirused nakatavad  b-rakke. Immuunvastus, mis seejärel vallandub, võib olla nii tugev, et on suunatud kõigile b-rakkudele. Hiljutised uuringud on näidanud, et ka lehmapiima tarbimine võib põhjustada geneetiliselt vastuvõtlike indiviidide haigestumise diabeeti. Sel juhul kutsub piimas esinev veise albumiin esile molekulaarse mimikri. Antikehad, mida toodetakse neis indiviidides veise albumiini vastu, hävitavad ka b-rakke. Praeguseks on genoomiuuringute põhjal teada üle 20 sõltumatu kromosoomi regiooni, mille defektide korral on indiviid geneetiliselt vastuvõtlik diabeedile. Vastuvõtlikkusele aitavad kaasa ka mutatsioonid mitokondrites, kuna sel juhul võib olla häiritud oksüdatiivne fosforüleerimine, mis on vajalik insuliini sekreteerimiseks b-rakkude poolt.

 

2.         Insuliinist sõltumatu diabeet (tüüp II, NIDDM). Ligi 85%-il kõigist diabeedi juhtudest esineb NIDDM. NIDDM võib samuti olla geneetiline haigus, kuid selle geneetilisest taustast teatakse vähem. NIDDM kujuneb välja hiljem kui IDDM ning sel juhul ei ole tegemist autoimmuunhaigusega. Geneetiliselt kõige paremini on kirjeldatud diabeedi vormi MODY, mis on dominantselt päritav ning selle tekkes osalevad vähemalt kaks erinevat geeni. Haigete organism sekreteerib insuliini, kuid glükoosi metabolismis osalev glükokinaas (viib glükoosi glükoos-6-fosfaadiks) on resistentne insuliini suhtes. Vastav mutatsioon on lokaliseeritud 7-nda kromosoomi lühikesse õlga. Mutatsioonid glükokinaasis vähendavad ensüümi afiinsust glükoosile. Selle tulemusena tõuseb organismis glükoosi tase. Tüüp II diabeeti põhjustab ka mutatsioon glükogeeni süntetaasi geenis. Vastav ensüüm katalüüsib glükogeeni sünteesi glükoosist ning kui see süntees on takistatud, tõuseb samuti glükoosi tase organismis. Erinevalt IDDM-ist on NIDDM-i puhul keskkonnategurite osa haiguse väljakujunemisel tühine: ühemunakaksikutest on korraga mõlemad haiged peaaegu kõigil juhtudel.

 

 

 

 

 

 

26. Käitumise geneetiline kontroll.

 

Käitumine on koordineeritud neuromuskulaarne vastus keskkonna signaalidele, milles osalevad nii sensoorsed, neuraalsed kui ka hormonaalsed faktorid. Närvisüsteemi struktuuri ja funktsioneerimist mõjutavad paljud erinevad geeniproduktid. Piisab ühe geeniprodukti kvantitatiivsest või kvalitatiivsest muutusest, et avalduksid käitumuslikud muutused. Samas tuleb seost geeniproduktide ja käitumise vahel käsitleda  kompleksselt. Näiteks teatavate geenide alleelid võivad muuta indiviidi vastuvõtlikumaks alkoholile, kuid alkoholismi väljakujunemisel on olulised ka indiviidi närvisüsteemi omapärasused ning see, kui stressitekitav on elukeskkond.

 

Selgrootute käitumise geneetiline analüüs.

 

Selgrootutest on kõige põhjalikumalt uuritud käitumist mesilastel ja äädikakärbsel Drosophila melanogaster. Äädikakärbse puhul on uuritud tema reaktsiooni valguse ja raskusjõu muutustele, ööpäeva rütmi, õppimisvõimet ning paaritumisrituaale.

 

Mesilaste kodukorrashoid.

 

Mesilaste vastsed arenevad kärjekannudes ning neid hooldavad töömesilased. Bakteriaalse infektsiooni tagajärjel võivad vastsed surra. Töömesilaste ülesanne on sellised vastsed kõrvaldada, et tagada hügieeniline keskkond. Selles tegevuses on kaks geneetiliselt kontrollitud etappi: (1) haiget vastset sisaldava kärjekannu avamine; (2) vastse eemaldamine kärjekannust. Osa mesilasi on ebahügieenilised ning jätavad surnud vastsed kärge. Selgus, et hügieenilisust kontrollivate geenide pärandumine toimub vastavuses Mendeli dihübriidse ristamise lahknemissuhetele. Kui ristata ebahügieenilisi mesilasi hügieenilistega, on kõik järglased ebahügieenilised, mis näitab, et ebahügieeniline käitumine on dominantne tunnus. Kui neid järglasi ristata uuesti hügieeniliste mesilastega, saadakse võrdsel arvul nelja tüüpi järglasi:

1)        hügieenilised,

2)        avavad kärjekannud, kuid ei kõrvalda sealt nakatunud vastseid,

3)        ei ava kärjekanne, kuid kõrvaldavad nakatunud vastseid avatud kärjekannudest,

4)        ei ava kärjekanne ega kõrvalda vastseid.

 

Selline lahknemissuhe näitab, et üks paar alleele kontrollib kärjekannu avamist, teine aga vastsete kõrvaldamist. Konkreetseid geeniprodukte pole seni veel identifitseeritud. Arvatakse, et nakatanud vastseid sisaldavad kärjekannud levitavad teatavat keemilist signaali, mis on nii nõrk, et teatava geeni suhtes defektset alleeli kandvad ebahügieenilised mesilased seda ei taju. Kui kann on avatud, on signaal tugevam ning nad kõrvaldavad vastsed kahjustatud. Teise geeni suhtes defektset alleeli kandvate ebahügieeniliste mesilaste puhul on aga signaal piisavalt tugev, et avada kärjekann, kuid liiga ebameeldiv, et vastne sealt kõrvaldada.

 

 

Rütmiline käitumine.

 

Nii taimede kui ka loomade puhul on täheldatud päevavalgusele vastavaid rütme. Tänu ajaliste rütmide väljakujunemisele on suutnud organismid kohastuda öö ja päeva ning aastaaegade vaheldumisega. Ööpäevased rütmid võivad olla väga erinevad. Näiteks baobabi õied on päeval suletud ning avatud öösel, sest nende õisi tolmeldavad teatud nahkhiired. Ka seentel ja bakteritel on kirjeldatud rütme. Näiteks filamentse seene Neurospora aseksuaalsete spooride produtseerimine on rütmiline ja kontrollitud geeni frq (frequency) poolt. Taime Arabidopsis klorofülliga seonduvat valku kodeeriv geen avaldub päeval ning on väljalülitatud öösel. See rütm säilub ka siis, kui hoida taime konstantselt pimedas.

 

 

Drosophila geen per.

 

Drosophila X kromosoomis paikneb geen per (period), mis on funktsionaalselt ekvivalentne Neurospora geenile frq. Äädikakärbse käitumises täheldatakse 24-tunnist rütmi, mida nimetatakse tsirkaadseks rütmiks (lad. k. circa – peaaegu; dies – päev). Tsirkaadne rütm kajastub näiteks kärbse valmikute nukust koorumisel.

 

Äädikakärbsed on kõige aktiivsemad koiduajal. Kärbeste aktiivsust saab mõõdeta nende liikumisaktiivsuse kaudu klaastorus. Klaastoru on pimedas, ning ühest kohast läbib teda kitsas punane valguskiir, mida kärbsed ei näe. Iga kord, kui kärbsed valguskiire läbivad, see registreeritakse. Geenil per on kirjeldatud mitu alleeli: alleeli per⁰ puhul on isendite käitumine arütmiline, alleeli per^S puhul lüheneb tsükkel 19 tunnile ning alleeli per^L puhul pikeneb 29 tunnile.

 

per lookus kontrollib nukkude koorumise aega. Tavaliselt toimub see hommikul (päikesevalguse käes kuivavad valmiku tiivad kiiremini ning ta saab varem lendama hakata). per⁰ mutantide puhul toimub valmikute nukust koorumine suvalisel ajal ning alleelide per^S ja per^L puhul muutub tsükkel vastavalt eelpoolkirjeldatule.

 

Geen per kontrollib ka kärbeste paaritumisrituaali, mis ei ole tsirkaadne. Isased kärbsed esitavad pulmatantsu, mille võib jagada mitmeks etapiks. Liigiti on tants erinev. Põhimomendid on aga järgmised: isane läheneb emasele nurga all ning liigub emase tagakeha suunas; ta tõstab oma tiivad 90° üles ja vibreerib nendega, tekitades tiibadega heli, mis peaks emast stimuleerima; seejärel puudutab ta emase genitaale ja üritab emast viljastada. Alati ei pruugi ta eesmärki saavutada ning rituaali tuleb korrata.

 

Tiibade vibratsiooni teel tekitatud “laul” on liigiti erinev, erinedes pulsside intervalli poolest (15 kuni 100 millisekundit). Tiibade vibreerumises on teatav rütm – puuviljakärbsel toimub see 60-sekundiliste perioodide tagant ning vibratsioonikiirus on erinevatel etappidel erinev (algab ühtlase suminaga, siis järgneb kiirem vibreerimine, seejärel on pulsside vaheaeg pikem, siis aga jälle kiirem). Geen per kontrollib perioodide pikkust. Alleeli per^S puhul väheneb see 40 sekundini ning alleeli per^L puhul pikeneb 90 sekundini. Nende alleelide osalust vibratsiooniperioodide pikkuse kontrollil on näidatud ka kasutades molekulaarseid meetodeid. Drosophila melanogaster’i puhul oli tsükli pikkuseks 60 sekundit, D. simulans’i puhul kordub tsükkel aga 35-sekundiliste intervallide tagant. Kui viia D. simulans’i per geen D. melanogaster’ genoomi, asendub 60-sekundiline tsükkel 35-sekundilise tsükliga.

 

Geeni per produktiks on valk (PER), mis on oma funktsioonilt transkriptsioonifaktor. See valk on kontsentreerunud rakutuuma ning nii vastava mRNA kui ka valgu enda tase rakus kõiguvad rütmiliselt. PER valku on leitud eeskätt aju rakkudes, kuid ka teistes rakkudes. Kuna PER valgul pole DNA-ga seondumise domeeni, mõjutab ta transkriptsiooni kaudselt, interakteerudes teiste transkriptsioonifaktoritega. PER valgu puhul esineb autoregulatsioon. PER represseerib teda kodeeriva geeni transkriptsiooni. Selle tulemusena väheneb rakkudes vastava mRNA hulk ning seejärel ka valgu hulk. Kui PER valgu hulk väheneb, toimub geeni derepressioon ning mRNA süntees algab uuesti (tavaliselt toimub see koiduajal). PER valk toimib repressorina, komplekseerudes valguga TIM (timeless), mille tase on samuti kõrge öö saabudes ja langeb hommikuks. Leiti, et valgus inaktiveerib valgu TIM ning see põhjustab ka TIM-PER kompleksi lagunemist. Kui kärbseid öösel perioodiliselt valgustada, läheb rütm sassi.

 

Inimese tsirkaadsed rütmid on reguleeritud hüpotaalamuses paiknevate rakkude poolt. Kas inimese ajus kontrollivad tsirkaadset rütmi tim ja per homoloogid, on seni veel selgitamata.

 

Käitumise geneetiline analüüs koertel ja hiirtel.

 

Erinevatel koeratõugudel on erinev käitumislaad. Nad on erineva agressiivsusega, peavad erineval viisil jahti ning sõbrustavad inimesega erineval määral. Ristates erinevaid koeratõuge on võimalik jälgida, millised käitumisjooned on dominantsed, millised retsessiivsed. Näiteks kokerspanjelid on sõbralikud ja väheagressiivsed võrreldes aafrika bansenji tõuga, kes on metsikud ja ei talu eriti inimese lähedust. Kui neid kahte tõugu omavahel ristata, on järglased samuti metsikud.

 

Hiirte puhul on uuritud tsirkaadset rütmi üsna täpselt. Kui hoida hiiri pimedas, jälgivad nad seda rütmi veidi üle 23 tunni pikkuste intervallide kaupa. Mutatsiooni clock puhul pikeneb rütm homosügootidel 27-28 tunnini, heterosügootidel 25 tunnini. Pärast kahenädalalist pimedas hoidmist kaob homosügootsetel mutantidel rütm täiesti. Vastavat mutatsiooni sisaldav geen on lokaliseeritud 5-ndasse kromosoomi.

 

fosB mutantsed hiired ei imeta oma järglasi, kuid on normaalsed muude käitumuslike funktsioonide suhtes. Geen fosB kodeerib transkriptsioonifaktorit, mis toimib hüpotaalamuses.

 

Inimese käitumist mõjutav aneuploidsus.

 

Häired meioosis võivad põhjustada muutusi kromosoomide arvus ning lisaks muudele silmatorkavatele efektidele järglastel põhjustab muutunud kromosoomide arv ka kõrvalekaldeid vastavate indiviidide käitumises. Downi sündroomi põdevatel 21 kromosoomi trisoomiaga indiviidid on vaimselt alaarenenud. Downi sündroomiga laste IQ jääb 25 ja 50 vahele. Juhul, kui nad tänu pidevale hoolitsusele elavad üle 30-nda eluaasta, ähvardab neid Alzheimer’i tõbi.

 

XXY mehed (Klinefelteri sündroom) on keskmisest madalama IQ-ga, on vähem aktiivsed ja väiksema agressiivsusega ning kannatavad enam sotsiaalse stressi all. Need käitumuslikud iseärasused arenevad välja pärast puberteeti.

 

XYY sagedus on populatsioonis 1:1000. Samas on leitud, et 3% vangidest ning hullumajas olevatest ravialustest on genotüübilt XYY. Kas lisa Y kromosoom soodustab agressiivsust ning kriminogeensust, on seni veel vaieldav. Siiski on kindlaid tõendeid, et XYY indiviididel on raskusi hariduse omandamisega, nad on püsimatumad, kontrollimatu temperamendiga ning hüperaktiivsemad kui XY mehed.

 

XXX naised on käitumuslikult üsna sarnased normaalsete XX naistega, kuid neil on raskusi rääkimisega, nende verbaalne IQ on keskmisest madalam ning neil on suhtlemisraskusi.

 

XO naised (Turneri sündroom) kannatavad kuulmishäirete all (50% juhtudest). Kuigi nende IQ on keskmine või üle keskmise, on neil kehvem ruumitaju ning raskusi täpseid liigutusi nõudvate töödega.

 

Ühe geeni defektid, mis mõjutavad inimese käitumist.

 

Paljud üksiku geeni defektid omavad drastilist efekti inimese käitumisele. Teada on nii retsessiivseid kui ka dominantseid mutatsioone geenides, mis kontrollivad neurotransmitterite sünteesi või kodeerivad signaali ülekandjaid raku väliskeskkonnast raku sisse. Nende tunnuste pärandumine järglastele toimub sageli lihtsate Mendeli lahknemissuhete alusel.

 

Fenüülketonuuria.

 

Fenüülketonuuria (PKU) esineb kaukasoidses populatsioonis sagedusega 1:10000 ning asiaatidel sagedusega 1:16500. PKU on autosoomne retsessiivne tunnus, mis avaldub fenüülalaniini hüdroksülaasi (PAH) defektsuse korral. See ensüüm muudab fenüülalaniini türosiiniks. Fenüülalaniini ülehulga puhul koguneb organismi metaboliit, mis kahjustab närvirakkude müeliinkesta ning ühtlasi aju normaalset arengut. Selle tulemuseks on indiviidi vaimne alaareng. PKU võib avalduda erineval määral, sõltuvalt sellest, millise PAH alleeliga on tegemist. Mõnede mutatsioonide puhul jääb ensüüm osaliselt funktsionaalseks. PAH defektsust on võimalik ravida vastava dieediga, kus fenüülalaniini tase toidus on madal. Oluline on, et dieeti rakendataks imikutel kohe pärast sündimist.

 

 

Lesh-Nyhan’i sündroom.

 

Lesh-Nyhan’i sündroom (LNS) on samuti põhjustatud metabolismihäiretest ning avaldub juba imikutel. LNS on X-liiteline hüpoksantiini ja guaniini fosforibosüültransferaasi defektsusest tulenev geneetiline haigus. Kuna tegemist on retsessiivse alleeliga, on haiged tavaliselt poisslapsed. LNS-i põdevad haiged on vaimselt alaarenenud ning nende keha, eriti käed, teeb pidevaid aeglasi võnkuvaid liigutusi. Haiged kipuvad end ise kahjustama. See avaldub esmalt huulte ja suu seespoole närimises, hiljem asuvad nad ka oma käte kallale. Selleks, et LNS sündroomiga haigeid iseenda eest kaitsta, kõrvaldatakse neil hambad ning nad vajavad järelvalvet. HPRT on ensüüm, mida vajatakse puriinide metabolismis. Normaalsetel indiviididel on HPRT tase kõrge just ajus.

 

Huntingtoni tõbi.

 

Huntingtoni tõbi (HD) on neurodegeneratiivne surmaga lõppev haigus, mis pärandub autosoomselt ning avaldub dominantselt. HD esineb sagedusega 1:10000 ning esimesed sümptomid avalduvad tavaliselt 30-nda kuni 50-nda eluaasta vahel. Siis on haigetel jäänud elada veel 10 kuni 15 aastat. Mutantset HD alleeli kandvatel haigetel hävivad järk-järgult peamiselt aju keskosas asuvad neuronid, mis paiknevad ajutuumades caudate nucleus ja putamen. Need piirkonnad kontrollivad liikumise koordinatsiooni. Samas ei hävi mitte kõik ajurakud, vaid ainult need, mille puhul kasutatakse teatavaid neurotransmittereid. Haiguse süvenedes hävivad ka teised ajurakud.

 

Haigust põhjustab mutatsioon kromosoomis 4 asuvas geenis, mis kodeerib valku huntingtiin. Geeni muudab defektseks järjestuse CAG kordistumine (normaalse 11-34 koopia asemel on haigetel leitud 42-100 koopiat). Mida suurem on kordsus, seda varem haigus avaldub. Mutatsiooni tagajärjel muutub valgu funktsioon. Huntingtiin seondub valkudega, mis osalevad rakkude suremises. Mutantne huntingtiin on nende valkude poolt kergemini atakeeritav.

 

 

Isiksuse analüüs.

 

Enamus füüsilisi või käitumuslikke tunnuseid on multifaktoriaalsed, olles mõjutatud nii geneetiliste kui ka mittegeneetiliste faktorite poolt. Suur osa informatsiooni käitumuslike tunnuste päritavuse kohta on saadud ühemunakaksikute võrdlusest, kes on elanud teineteisest lahutatult juba alates varajasest lapsepõlvest. Nende uuringute põhjal on selgunud, et nii võimekus, huvid, sotsiaalne hoiak kui ka isiksuse omapärad on tugevasti mõjutatud genotüübi poolt. Näiteks Minnesota kaksikute uuringutel leiti, et IQ päritavuskoefitsient on 0,7, mis tähendab, et 70% IQ varieeruvusest populatsioonis on seotud genotüübilise varieeruvusega. Geneetiliste faktorite avaldumise ulatus sõltub ka indiviidide kultuurikeskkonnast. Kultuuriliselt ühtlasemas keskkonnas on geneetiliste faktorite päritavuse osa populatsiooni käitumuslikus varieeruvuses suurem. Sotsiaalsete hoiakute ning indiviidide psüühika väljakujunemises on oma osa ka kodusel atmosfääril, kuid Minnesota kaksikute uuringute põhjal ei olnud need erinevused enamasti olulised. Samas tuleb arvestada ka seda, et vastavasisulised uuringud võivad olla ka tendentslikud, kuna võrdluses osalevad vabatahtlikud, ning osa kaksikutest on omavahel eelnevalt ka kohtunud.

 

Alkoholismi geneetilised alused.

 

USA elanikkonna kohta on olemas statistilised andmed alkoholismi leviku kohta. 90 miljonist elanikust, kes tarbivad alkoholi, on 18 miljonil probleeme joomisega ning enda eluga toimetulekuga. Neist 10 miljonit on tõsises sõltuvuses alkoholist. Päris selget piiri alkoholismi põdevate ja mittepõdevate indiviidide vahele on raske tõmmata, kuid ligikaudsete hinnangute põhjal põeb alkoholismi 3-5% meestest ning 0,1-1% naistest. Osades perekondades esineb alkoholismi sagedamini kui teistes, mis näitab, et alkoholism võib olla päritav. Hiirte puhul on uuritud erinevate hiireliinide alkoholilembelisust ning leitud, et teatud hiireliinid eelistavad kuni 80% juhtudest veele 10%-list alkoholi vesilahust. Osa hiireliine vältisid alkoholi lahust aga täielikult. Erinevad hiireliinid olid alkoholi suhtes ka erineva tundlikkusega: alkoholi eelistavad hiired talusid alkoholi paremini (näiteks magasid nad end kiiremini välja). Erinevused avaldusid alkoholi dehüdrogenaasi ADH aktiivsuses ning aju tundlikkuses alkoholile. Alkoholismi uuringud inimpopulatsioonis on näidanud järgmist:

1)        alkohoolikutest isade poegadel ja vendadel on  risk muutuda alkohoolikuteks 50% suurem;

2)        ühemunakaksikute puhul on 55% juhtudest mõlemad alkohoolikud, kahemunakaksikute puhul on konkordantsus (tunnuse koosesinemise %) 28%;

3)        adopteeritud poegadel kujuneb alkoholism välja vastavuses nende bioloogilistele isadele, mitte aga kasuvanematele.

 

Alkohoolikutest vanemate järglastel on tavaliselt pärast alkoholi mõõdukat tarbimist võrreldes kontrollgrupiga kõrgem atseetaldehüüdi tase organismis. On leitud ka teisi metaboolseid iseärasusi.

 

Alkoholismis eristatakse kahte erinevat vormi:

1)        alkoholismi I vorm (type I) – avaldub pärast 25-ndat eluaastat ning esineb võrdselt nii meestel kui naistel. Sõltuvus areneb välja kiiresti, joomahood vahelduvad karskusperioodidega. Seda alkoholismi vormi põdevad indiviidid on oma käitumiselt tavaliselt muretsejad, analüüsivad, sõbralikud, kaastundlikud ja sotsiaalsest keskkonnast sõltuvad;

2)        alkoholismi II vorm (type II) – avaldub juba teismelistel ning esineb peamiselt meessoost indiviididel. Nad on oma käitumiselt agressiivsed, impulsiivsed ning asotsiaalsed, sageli vägivaldsed. Seda vormi põdevad indiviidid ei suuda tavaliselt joomist lõpetada, nad  satuvad sageli joomaperioodidesse.

 

Mõlemad alkoholismi vormid on päritavad, kusjuures II vormi puhul on genetilise faktori osatähtsus suurem.

 

Alkoholismi on püütud seostada ka teatavate geenide defektidega. Nii on isoleeritud dopamiini retseptori D2 geeni DRD2 alleel A1. Analüüsides 35 hukkunud alkohooliku ja mittealkohooliku aju, leiti, et alleel A1 esines 69% juhtudest alkohoolikutel ning 20% kontrollgrupist. Sama suhe jäi kehtima ka siis, kui analüüsiti suuremat hulka indiviide. Dopamiin on neurotransmitter, mis toimib ajus nn. “mõnutsentrile”. Siiski on seosed alkoholismi ja alleeli DRD2 A1 omamise vahel mõneti vasturääkivad. Nimelt on see alleel etniliselt ebaühtlaselt levinud. Näiteks Jaapanis on selle alleeli sagedus 0,50 kuid alkohoolikuid on jaapanlaste hulgas väga vähe. Põhjus võib olla selles, et jaapanlastel esineb enamasti aldehüüdi dehüdrogenaasi alleel, mille puhul alkoholi metabolism on pärsitud ning selle tulemusena on indiviidid alkoholi suhtes väga tundlikud. Seni pole suudetud näidata ka alleeli DRD2 A1 seost ühe või teise alkoholismi vormiga.  

 

Ka dopamiini transporterit kodeeriv geen DAT1 võib olla olla seotud alkoholismiga. Alkoholismi II vormi põdevatel indiviididel on see geen aktiivsem. Agressiivsust seostatakse just dopamiini kõrgenenud kontsentratsiooniga ning alkoholismi II vormi põdevad indiviidid on tavaliselt agressiivsemad.

 

 

Alzheimeri tõbi.

 

Inimese vananedes vähenevad ta vaimsed võimed. Osadel juhtudel kujuneb aga välja dementsus, mille puhul on tõsiseid probleeme mäluga ning indiviid pole võimeline enam adekvaatselt käituma. Dementsusel võib olla palju erinevaid põhjuseid. Näiteks kaasneb see Huntingtoni tõvega, aga samuti Alzheimeri tõvega. Alzheimeri tõbe (AD) põevad 5% üle 65 aastastest ning 25% üle 85 aastastest indiviididest. AD põdevatel haigetel hävivad ajus neuronid ning tekivad seniilsuse laigud, kus närvirakud esinevad tihendatud kujul ning sinna piirkonda on kogunenud amüloid-b-valku. Samuti on AD indiviidide ajus kirjeldatud neurofibrillaarseid sõlmekesi, mis moodustuvad neuronitesisese filamentse materjali akumuleerumise tulemusena. Osa AD vorme on päritavad, osa mitte. Kuna ka Downi sündroomi põdevatel indiviididel areneb välja AD, siis võivad AD sümptomid avalduda ka 21-s kromosoomis paikneva teatava geeni üledoosi tulemusena. Seos 21. kromosoomiga ilmneb ka selles, et 21-s kromosoomis paikneb amüloid-b-valku APP kodeeriv geen APP. AD põdevatel haigetel toimub APP akumuleerimine ajus. Samuti on näidatud, et mutatsioonid geenis APP põhjustavad dominantset AD vormi FAD (early-onset Familiar Alzheimer’s Disease). See AD vorm esineb 3%-l kõigist AD juhtudest.

 

Mutatsioonid preseniliini kodeerivas geenis, mis paikneb esimeses kromosoomis, põhjustavad dominantset AD vormi. Preseniliin on membraaanseoseline valk, mis vastutab teiste valkude transpordi eest ning arvatakse, et just APP transpordi eest. Võimalik, et muutused APP transpordimehhanismis suurendavad selle valgu rakuvälist kogust, mis omakorda soodustab AD kujunemist. Mutatsioonid preseniliini geenis on kirjeldatud 70-80% päritava AD juhtudest.

 

19-ndas kromosoomis on identifitseeritud kolmas AD-ga seotud geen, mis kodeerib valku ApoE. ApoE osaleb kolesterooli transportimisel ajju. Oletatakse ka hüpoteetilise neljanda geeni osalust päritava AD kujunemisel (20% kõigist päritava AD juhtudest). Vastav AD vorm on dominantne autosoomne.

 

Intelligentsus on multifaktoriaalne tunnus.

 

Intelligentsust mõjutavad nii indiviidi genotüüp kui ka keskkonna tegurid. Intelligentsust kirjeldab erinevate vaimsete võimete kogum:

1)        sõnade defineerimine ning mõistmine;

2)        verbaalse mõtlemise kiirus;

3)        matemaatiline mõtlemine;

4)        ruumiline mõtlemine;

5)        meeldejätmine ning informatsiooni taastamine;

6)        objektidevahelise sarnasuse ja erinevuse hindamine;

7)        seaduste, põhimõtete või kontseptsioonide formuleerimine probleemide lahendamiseks ning erinevate olukordade hindamiseks.

 

Intelligentsuse päritava faktori osakaalu üle on palju vaieldud. Erinevad koolkonnad on pakkunud välja äärmuslikke seisukohti. Minnesota kaksikute analüüs näitas, et intelligentsust kujundavad nii geneetilised kui ka keskkonna tegurid.

 

Intelligentsuse mõõtmiseks kasutatakse IQ teste. Keskmine IQ (intelligence quotient) – intelligentsuse kvoot on 100. IQ arvutatakse sel viisil, et jagatakse indiviidi vaimne iga tema tegeliku vanusega ning korrutatakse sajaga. Kui näiteks 10-aastase lapse testi tulemused vastavad 12-aastase keskmistele testi tulemustele, on selle lapse IQ 120. IQ testide kasutamine on tekitanud samuti vaidlusi. Tekib küsimus, kas on õige rakendada samu teste erineva sotsiaalse staatuse ning erinevate etnilistesse ja rassilistesse gruppidesse kuuluvate indiviidide puhul.

 

Hoolimata kõikvõimalikest dispuutidest on siiski selge, et lahus kasvanud ühemunakaksikute IQ on sarnasem kui koos või eraldi kasvanud kahemunakaksikute IQ. Adopteeritud laste IQ on  lähedasem nende bioloogiliste vanemate IQ-le kui kasuvanemate IQ-le. Mida lähedasemad on kaks inimest geneetiliselt, seda enam korreleeruvad nende IQ väärtused (Vt. joonis 26.19). Samas tuleb arvestada, et lapse vaimseks arenguks on vaja teatavaid keskkonna tegureid.

 

Kas erinevate rasside keskmine IQ väärtus erineb? 1969-ndal aastal Arthur Jenseni poolt läbiviidud katsete põhjal oli mustade keskmine IQ väärtus valgete omast 15 punkti madalam. Praegu suhtutakse eriti USA-s võimalikesse rassilistesse erinevustesse väga kriitiliselt. Osututakse sellele, et adekvaatseid tulemusi saaks üksnes siis, kui kõigi analüüsitavate indiviidide elutingimused oleksid võrreldavad.

 

Soolise orientatsiooni geneetiline determineeritus.

 

Kas homoseksuaalsus on geneetiliselt määratud? Michael ja Pillard uurisid 161 homoseksuaalset meest ja leidsid, et 52%-l homoseksuaalsetest ühemunakaksikutest olid ka kaksikvennad homoseksuaalsed; kahemunakaksikute puhul oli see protsent 22% ning 11%-il adopteeritud homoseksuaalidest oli ka vend homoseksuaalne. Üsna sarnased tulemused on saadud lesbide analüüsist. Seega on geneetiline faktor soolise orientatsiooni väljakujunemisel ilmne. Sugupuude geneetilise analüüsi tulemused viitavad sellele, et homoseksuaalsus on X-liiteline tunnus, sest avaldub järglastel sagedamini siis, kui ema suguvõsas on olnud homoseksuaale. Vastavat geeni pole seni küll veel lokaliseeritud, kuid analüüsides 40 paari homoseksuaalsete vendade X kromosoomi molekulaarseid markereid, leiti, et 33 paari puhul olid nende X kromosoomide otsad (regioonis Xq28) 5 molekulaarse markeri suhtes identsed. Homoseksuaalide heterosügootsete vendade puhul olid need markerid erinevad. Kuna homoseksuaalsete naiste puhul olid need markerid homoseksuaalsetel õdedel erinevad, viitab see sellele, et meeste ja naiste soolist orientatsiooni kontrollivad erinevad geenid.

 

Uuritakse ka homoseksuaalsust stimuleerivaid keskkonnategureid. Eriti on asutud uurima faktoreid, mis mõjutavad hormoonide toimimist loote arengu käigus.

 

Käitumise geneetiliste aluste uurimise perspektiivid.

 

Praeguseks on suudetud enamasti identifitseerida ühe geeni mutatsioone, mis põhjustavad silmatorkavaid neuroloogilisi kahjustusi ning sellega kaasnevaid käitumuslikku hälbeid. Paljud neuroloogilised haigused on aga komplekssed, mille sümptomite väljakujunemises osalevad korraga mitmed erinevad geenid ning erinevad keskkonnategurid. Näiteks võib tuua skisofreenia ning maniakaalse depressiooni, millele on küll geneetiline soodumus, kuid haigus avaldub ainult teatavate keskkonna mõjutuste toimel, näiteks väga tugeva stressi korral.           

 

 

 

 

 

 

27. Populatsioonigeneetika ja evolutsioon.

 

Evolutsiooniteooria kujunemine.

 

Varajased evolutsiooniteooriad.

 

Kuidas on tekkinud komplekssed organismid? Mis on viinud nende kohastumisele ümbritseva keskkonnaga? Mil viisil on elusloodus kujunenud nii mitmekesiseks ja kuidas seda mitmekesisust säilitatakse? Nendele küsimustele otsiti vastust juba ammu enne seda, kui 1859-ndal aastal ilmus Darwini “The Origin of Species by Means of Natural Selection…” (“Liikide tekkimine”). Idee eluslooduse evolutsioonist pakuti välja sadakond aastat enne Darwini tähtteose avaldamist, kuid selle idee levikule ja omaksvõtule oli tugev vastasseis teoloogilise maailmapildi näol. Religioosse õpetuse põhjal on kõik liigid maa peale eraldi loodud ning nad on püsinud muutumatutena. Evolutsioonilist mõtlemist takistasid eeskätt kaks doktriini. Esimene neist oli katastrofismi doktriin. Kaasajaks maapealt kadunud organismide luustike leide põhjendati Vanas Testamendis kirjeldatud veeuputusega. Nii põhjustas ülemaailmne veeuputus paljude varem elanud organismide hukkumise. Teiseks takistuseks oli tüpoloogiline mõtlemine e. essentsialism. Selle nägemuse järgi koosnes elusloodus kindla eesmärgiga organismitüüpidest, mis võisid küll tüübisiseselt veidi varieeruda (näiteks kasside või koerte tõud), kuid oma põhiolemuselt olid tuli kõiki tüüpe käsitleda eraldiseisvatena (nii ei ole näiteks kassidel ja koertel pole ühist eellast). 

 

Viiskümmend aastat enne Darwinit avaldas Jean Baptiste Lamarck oma teooria liikide tekkest, mille järgi liikide areng uuteks liikideks toimus graduaalselt, organismide elu jooksul omandatud tunnuste akumuleerumise tagajärjel. Lamarck nägi sidet erinevate liikide vahel ning vastandus sellega tüpoloogilisele mõtlemisele. Tema teooria alusel arenesid liigid uuteks liikideks eesmärgipäraselt, vastavuses keskkonna diktaadile. Lamarck ei arvestanud looduslikku valikut, mis viib vähem kohastunute hukkumisele.

 

Darwini evolutsiooniteooria.

 

Aastatel 1831-1836 sooritas Darwin reisi Lõuna-Ameerikasse, mille käigus ta kogus põhilised andmed, millele tugines hiljem tema evolutsiooniteooria. Tema põhilised tähelepanekud võib tuua välja kolme punktina:

1)        Lõuna-Ameerikas kirjeldas Darwin väljasurnud organismide luid. Üllataval kombel sarnanesid nende luustikud kaasajal elanud organismide luustikega. Kas see sarnasus viitab sidemele väljasurnud liikide ja praegu elavate liikide vahel?

2)        Looduslikud tingimused Maal on olnud pidevas muutumises. Seal, kus kunagi oli ookean, võivad praegu asuda mäed. Näiteks leidis Darwin Andidest kunagi meres elutsenud organismide jäänuseid. Seega kinnitasid Darwini leiud Charles Lyell’i teooriat, et Maa pinnas on geoloogiliste ajastute vältel muutunud.

3)        Külastades Galapagose saari, kirjeldas Darwin 13 vindi liiki, mis olid sarnased Lõuna-Ameerika läänerannikul elavate vintidega. Need 13 liiki erinesid keha suuruselt ja noka kujult ning asustasid ökoloogiliselt erinevaid piirkondi. Darwin oletas, et vindid tulid Galapagose saartele mandrilt ning seejärel populatsioon mitmekesistus, asustades erinevate looduslike tingimustega piirkondi.

 

Evolutsiooniteooria väljaarendamiseks sai Darwin inspiratsiooni Thomas Malthuse ideedest. Malthus väitis, et looduslikud ressursid on limiteeritud, samas toimub populatsioonisiseselt areng ning konkurentsi tingimustes jäävad ellu ainult vähesed.  Lähtudes neist ideedest, läks Darwin edasi ning väitis, et organismide paljunemine populatsioonisiseselt toimuks eksponentsiaalselt, kui seda ei piiraks ressursside vähesus. Seega jäävad konkurentsitingimustes ellu ja annavad järglasi eelistatult need isendid, kes on vanematelt pärinud omadused, mis muudavad nad võrreldes konkurentidega edukamaks. Darwini loodusliku valiku teooria järgi tekib populatsiooni paljunemise käigus uusi variante ning edukamad variandid asendavad vähem edukamad variandid.      

 

Darwini evolutsiooniteooria muutis oluliselt seni lääne ühiskonnas valitsenud mõttemaailma. See tõrjus kõrvale katastrofismi idee ning liikide loomise idee. Darwini teooria lükkas kõrvale antropotsentristliku mõttemalli nagu oleks inimliik universumi keskpunkt. Ka osutus Maa olevat palju vanem kui piibliõpetuse järgi pakutud 4000 kuni 6000 aastat. Tüpoloogiline mõtlemine asendus populatsioonide tasemel mõtlemisega ning enam ei käsitletud organismide arengut eesmärgipärasena.

 

Darwini teooria ei käsitlenud mehhanisme, kuidas kujuneb geneetiline variantsus, mil viisil päranduvad tunnused järglastele ning kuidas populatsiooni geneetiline koostis aja jooksul muutub. Kuigi Darwini evolutsiooniõpetus käsitles pärilikkuseühikute – gemmulate – kandumist järglaskonda, sarnanes ettekujutus gemmulate muutlikkusest Lamarcki poolt esitatud organismi elu jooksul omandatud tunnuste ideele. Alles Darwini õpetuse kombineerimine Mendeli pärilikkuse teooriaga võimaldas luua kaasaegse pildi looduslikes populatsioonides toimuvast evolutsiooniprotsessist.

 

Populatsioonigeneetika.

 

Populatsioonigeneetika uurib alleelide sagedust populatsioonides. Kaasaegne populatsioonigeneetika on välja kujunenud Francis Galtoni ja Nilsson-Ehle poolt loodud biomeetrikast, mis käsitleb multifaktoriaalset päritavust. Samuti lähtub ta seaduspärasustest, mis leiti Mendeli seaduste rakendamisel populatsioonidele.  

 

Hardy-Weinbergi populatsiooni geneetilise tasakaalu seadus.

 

Mendeli seaduste rakendamist vabalt ristuvatele populatsioonidele katsetati juba 20. sajandi algul. Nii näitas Udny Yule, et kui ühe alleelipaari A ja a suhtes lahknenud F₂ populatsiooni siseselt toimub juhuslik ristumine, on kolm võimalikku genotüüpi AA, Aa ja aa samades proportsioonides esindatud nii F₃ põlvkonnas kui ka järgmistes generatsioonides. Seda ideed arendas edasi William Castle, väites, et genotüüpide suhe populatsioonis muutub läbi generatsioonide siis, kui genotüüp aa selektsiooni teel kõrvaldada kas füüsiliselt või takistades selle genotüübiga isendite ristumist.

 

Hardy ja Weinberg leidsid seaduspärasuse, kuidas alleelide sagedus populatsioonis võimaldab ennustada genotüüpide sagedust juhuslikult ristuvas populatsioonis. Oletame jällegi, et populatsioonis on kaks alleeli A ja a ning alleel A esineb sagedusega p ning alleel a sagedusega q. AA genotüübi tõenäosus populatsioonis on seega alleeli A sageduse korrutis  p x p = p².  Samal põhimõttel arvutatakse ka genotüübi aa tõenäosus populatsioonis (q x q = q²). Heterosügootide Aa moodustumise tõenäosus on 2pq, sest on võimalik, et alleel A munarakust kombineerub alleeliga a seemnerakust ja vastupidi. Seega saab genotüüpide tõenäosust populatsioonis esitada valemi näol

 

                     (p + q)² = p² + 2pq + q² = 1

 

See valem töötab suurte populatsioonide puhul, kus populatsioonisiseselt toimub vaba ristumine (panmiktiline populatsioon). Sellises populatsioonis ei toimi evolutsioonitegurid (mutatsioonid, valik, migratsioon) ning tasakaalulised alleeli- ja genotüübisagedused säiluvad muutumatuna põlvkonnast põlvkonda.

 

Hardy-Weibergi seaduse illustreerimiseks toome järgmise näite. Oletame, et populatsioonis on 1000 isendit genotüüpidega AA (490), Aa (420) ja aa (90). Milline on nende genotüüpide sagedus järgmises põlvkonnas, eeldades, et isenditevaheline populatsioonisisene ristumine toimub vabalt. Esmalt leiame alleelide A ja a sagedused populatsioonis. Selleks tuleb mõlemattüüpi alleelide arv jagada populatsioonis esinevate alleelide koguarvuga:

 

Alleeli A sagedus p = (2 x 490 + 420)/2000 = 0,70

Alleeli a sagedus q = (2 x 90 + 420)/2000 = 0,30 

 

p + q  summa peab alati olema 1.

 

Toetudes Hardy-Weinbergi valemile leiame nüüd, et genotüüp AA esineb järglaskonnas sagedusega p² = 0,49; genotüüp Aa esineb sagedusega 2pq = 0,42; genotüübi aa sagedus järglaskonnas on q² = 0,09. Seega on 1000 järglase hulgas jällegi 490 AA genotüübiga isendit, 420 genotüübiga Aa isendit ja 90 genotüübiga aa isendit.

 

Hardy-Weinbergi valem võimaldab arvutada genotüüpide sagedusi eelpoolkirjeldatud tingimustel näiteks inimese MN vererühmade suhtes. Kui aga teatav alleelipaar on populatsioonis eelistatud (näiteks heterosügoodid homosügootide suhtes), ei vasta tegelikud sagedused arvutuslikele.

 

Hardy-Weinbergi seadus on kasutatav genotüüpide sageduste arvutamisel ka enam kui kahe alleeli korral. Näiteks kolme alleeli puhul on rakendatav valem

 

                     (p + q + r)² = p² + q² + r² + 2pq + 2pr + 2qr = 1        

 

Suguliitelisete dialleelsete geenide puhul kasutatakse genotüüpide sageduste arvutamisel homogameetsete isendite (XX isendid) korral valemit

 

 (p + q)² = p² + 2pq + q² = 1

 

ning heterogameetsete isendite (XY isendid) korral valemit

 

                     p + q = 1, kus alleelisagedused samastuvad genotüüpide sagedusega järglastel.

 

Näiteks värvipimedus on X-liiteline retsessiivne tunnus. Oletame, et 2000 indiviidi hulgas, kellest pooled on mehed ja pooled on naised, on meestest värvipimedaid 90 ning naistest 3. Millise sagedusega esineb sel juhul värvipimedaid järglaskonnas? Värvipimedust põhjustab alleel a ning normaalne alleel on tähistusega A. Leiame kõigepealt alleeli a sageduse q meestel: 90/1000 = 0,09. Alleeli A sagedus p on seega meestel 1 – q = 0,91. Fenotüübiliselt normaalseid mehi on järglaskonnas järelikult 91%. Teades mõlema alleeli sagedust meestel ning eeldades, et nad esinevad sama sagedusega ka naistel, saame arvutada naiste genotüüpide AA, Aa ja aa sagedused järglaskonnas, kasutades valemit  (p + q)²:

                     AA = 0,828; Aa = 0,164 ja aa = 0,0081. Seega on ligi 99% naistest fenotüübiliselt normaalsed. 

 

 

Loodusliku valiku teooria.

 

Looduslik valik on põhiline jõud, mis muudab alleelide sagedust populatsioonis ja viib liikide evolutsioneerumisele. Keskkonna muutudes muutub populatsiooni geneetiline koostis. Populatsioonis sünnib rohkem järglasi, kui keskkond võimaldab ning seega osa isendeid hukkub. Kuna järglaskond on geneetiliselt heterogeenne, mis avaldub nende fenotüübilises erinevuses, on osal järglaskonnast suuremad eeldused ellu jääda ning paljuneda kui teistel. Seega suureneb populatsioonis edukamate genotüüpide osakaal ning väheneb vähemedukamate oma. Vastavat protsessi nimetatakse looduslikuks valikuks. Looduslik valik on looduses toimuv protsess, mis seisneb kohasemate geneetiliste variantide edukamas üleelamises ja paljunemises ning vähemkohaste variantide eliminatsioonis antud ökoloogilistes tingimustes.

 

Loodusliku valiku tähtis komponent on kohasus (ingl. k. fitness) w, mis iseloomustab indiviidi võimet oma geene järglaskonda edasi kanda. Kohasuse väärtuse leidmiseks võrreldakse indiviidi järglaste arvu populatsiooni keskmisega. Mida suurem on kohasuse väärtus, seda suuremad on organismi reproduktsiooni võimed.

 

Oletame, et meil on tegemist kolme genotüübiga AA, Aa ja aa. A on dominantne alleel ning genotüüp aa põhjustab steriilsust. Kuidas muutub sel juhul nende alleelide A ja a sagedus populatsioonis? Erinevatele genotüüpidele rakendub erinev selektiivne surve (selective pressure) s. s_A- = 0 ning s_aa = 1,0. Selektiivne surve s varieerub nullist üheni. Kohasus w varieerub samas vahemikus. Nende omavaheline suhe on vastandlik:

 

                     w = 1 – s

 

Kuna selektiivne surve s genotüübi aa suhtes on 1.0, siis on aa kohasuse väärtus võrdne nulliga. Kuna variantide AA ja Aa suhtes selektiivne surve puudub, siis nende puhul on w väärtus võrdne ühega (1,0). Korrutades iga genotüübi sageduse nende kohasusega, saame arvutada genotüüpide sageduse järgmises põlvkonnas.

 

Kui algselt on mõlema alleeli sagedus 1/2, on genotüüpide esindatus, lähtudes Hardy-Weinbergi valemist, järgmine:

 

¼ AA (1,0) : ½ Aa (1,0) : ¼ aa (0,0)

 

Kuna järglaskonda annavad ainult AA ja Aa isendid, siis on erinevat tüüpi vanemate osalus vastavalt 1/3 ja 2/3. See leitakse, jagades AA ja Aa sagedused ¼ ja ½  AA ning Aa esinemissageduste summaga ¾.

 

Järglaskonda sattuvate alleelide sagedus leitakse järglaskonda andvate genotüüpide sagedusest

      alleeli A jaoks: 1/3 + (1/2) (2/3) = 2/3

                  alleeli a jaoks: (1/2) (2/3) = 1/3                                                                         

 

Kui ristumine toimub vabalt, on erinevate genotüüpide sagedus järglaskonnas, kasutades jällegi Hardy-Weibergi valemit, järgmine:

                     AA -   (2/3)² = 4/9

                     Aa  -   2 (2/3) (1/3) = 4/9

                     aa  -   (1/3)² = 1/9

 

Pärast ühte generatsiooni on alleeli A sagedus suurenenud sageduselt 1/2 sagedusele 2/3 ning alleeli a sagedus langenud sageduselt ½ sagedusele 1/3. Et leida nende alleelide esinemissagedus järgmises generatsioonis, kordame eelpool teostatud protseduuri, arvestades jällegi, et genotüüp aa järglasi ei anna.

 

Genotüüpide suhe, näidates nende sobivuse väärtust, on esitatud järgmiselt:

 

4/9 AA (1,0) : 4/9 Aa (1,0) : 1/9 aa (0,0)

 

Nii genotüübi AA kui ka Aa osalus järglaste andmisel on 4/9 : 8/9 = ½

 

Alleeli A sagedus järgmises generatsioonis on ½ + ½ (1/2) = ¾ = 0,75

Alleeli a sagedus järgmises generatsioonis on ½ (1/2) = ¼ = 0,25

 

Nagu näeme, on alleeli A sagedus kasvanud algselt sageduselt ½ sagedusele 3/4 ning alleeli a sagedus langenud algselt sageduselt ½ sagedusele ¼.

 

Teades alleelisagedusi, võime arvutada ka kolme erineva genotüübi sageduse järglaskonnas jne. jne. jne., kuni teatud arvu põlvkondade järel alleel a kaob populatsioonist. Konkreetne näide oli äärmuslik ning sobib kirjeldama olukordi, kus teatava genotüübiga indiviidid ei ela nii kaua, et jõuaksid paljunemisikka (näiteks Tay-Sachs tõbi, Lesch Nyhani sündroom ning Duchenne lihasdüstroofia inimesel) või on vastavad indiviidid steriilsed. Enamasti ei ole aga ühegi genotüübi kohasuse väärtus w täiesti null ning selektiivne surve s väärtus üks.

 

Selektiivse surve väärtus varieerub erinevate genotüüpide puhul nullist üheni. Mida tugevam on selektiivne surve teatava alleelse kombinatsiooniga genotüübi suhtes, seda kiiremini kaob kahjulik alleel populatsioonist.

 

Kuna erinevate geenide erinevatele alleelidele on neile rakenduv selektiivne surve erinev, siis nende geenide aheldumise korral ei pruugi kahjulik alleel populatsioonist elimineeruda. Seda on kirjeldatud näiteks tsüstilise fibroosi korral, kus teatav alleel püsib kaukasoidses populatsioonis heterosügootses olekus kõrgema sagedusega, kui seda eeldati.  Eeldatavast kõrgemat sagedust aitab selgitada nn. “pöidlaküüdi efekt” (“hitch hiker effect”), mille alusel on vastav alleel tugevalt aheldunud teise geeni alleeliga, millel on ülejäänute suhtes selektiivsed eelised.

 

Loodusliku valiku kaks vormi.

 

Looduslikul valikul on kaks vormi. Esimese vormi puhul püüab organism jääda ellu ja saada järglasi kindlates keskkonna füüsikalistes tingimustes. Näiteks kõrbetaim konserveerib vett, et taluda põuda. See on individuaalse taime otsene võitlus keskkonnatingimustega, mitte aga konkurentsivõitlus teiste populatsiooni isenditega. Sellist looduslikku valikut nimetatakse sagedusest sõltumatuks valikuks. Ka vastava fenotüübi kohasuse väärtus on sel juhul sagedusest sõltumatu.

 

Sagedusest sõltuva valiku puhul konkureerivad organismid omavahel. Konkureeriva fenotüübi sagedus populatsioonis määrab selle fenotüübi kohasuse väärtuse ning see väärtus muutub, kui antud fenotüübi sagedus populatsioonis muutub. Näiteks võib tuua liblikate hulgas esineva mimikri.  Ühe liblikaliigi isendid on lindudele söögiks kõlbmatud ning söögiks kõlbulikud teise liigi isendid sarnanevad väliselt esimestele. Mimikriga ei õnnestu aga linde lõpmatult ära petta. Seni, kui ainult vähesed isendid söödavate liblikate populatsioonist sarnanevad mittesöödavatega, on neil oma liigikaaslaste ees suured eelised. Kui aga vastav omadus on juba populatsioonis laialt levinud, õpivad linnud, et kindla välimuse taha ei peitu ainult söögiks kõlbmatud liblikad. Seega, kui mimikri sagedus populatsioonis tõuseb, väheneb tema kohasuse väärtus.

 

 

Geeni nimetatakse polümorfseks, kui selle geeni mitmealleelsuse puhul leidub populatsioonis lisaks kõige sagedamini esinevale alleelile vähemalt üks alleel, mille sagedus on üle ühe protsendi kõige sagedamini esineva alleeli sagedusest. Selleks, et populatsioonis säiluks geneetiline variantsus, võivad heterosügoodid olla valiku kaudu eelistatud. Sellist nähtust nimetatakse tasakaalustatud polümorfismiks. Tasakaalustatud polümorfismi on kirjeldatud näiteks punaste vererakkude sirprakset aneemiat põhjustava alleeli püsimise puhul malaaria levikuga piirkondi asustavas inimpopulatsioonis. Heterosügoodid, kes kannavad ühte normaalset b globiini alleeli ja teist mutantset, ei haigestu malaariasse, mistõttu nad on eelisolukorras võrreldes ainult normaalseid alleele kandvate homosügootsete indiviididega, kes on malaariaparasiidile vastuvõtlikud.

 

Loodusliku valiku viisid.

 

Looduslik valik populatsioonides võib toimida erinevatel viisidel ja erinevate tagajärgedega.

 

1.         Stabiliseeriv valik. Selektsiooni kaudu on eelistatud optimaalne fenotüüp, kõik äärmused elimineeritakse. Näiteks, kui vastsündinud beebide kaal erineb oluliselt optimaalsest väärtusest, vähenevad nende võimalused ellu jääda. Stabiliseeriva valiku kaudu toimub ka hetrosügootide eelistamine homosügootidele, nagu seda on näidatud näiteks sirprakse aneemia puhul.

 

2.         Suunav valik. Selektsiooni kaudu on eelistatud üks äärmuslik fenotüüp ning selle tulemusena muutub populatsiooni keskmine kindlas suunas. Suunav valik leiab aset siis, kui keskkonnas toimuvad pidevad muutused. Suunav valik rakendub populatsioonile ka tõu- või sordiaretuse käigus.

 

3.         Lõhestav valik. Eelistatud on äärmused ning lõpptulemusena jaotub populatsioon kaheks või enamaks alampopulatsiooniks, mis erinevad üksteisest teatava tunnuse suhtes oluliselt. Thoday ja Gibson demonstreerisid lõhestavat valikut katseliselt. Nad valisid Drosophila populatsioonist välja isendid, kellel oli keskmistega võrreldes kas oluliselt rohkem või vähem harjaseid ning lasid neil omavahel ristuda. Seejärel eraldasid nad vähese ja suure harjaste arvuga emased. Nende järglaskonnast valiti jällegi keskmisest  erineva harjaste arvuga isendid ja viidi need liinid ristumiseks omavahel kokku. Protseduuri korrati mitmete põlvkondade vältel. Populatsioon lahknes kaheks alampopulatsiooniks, kus olid kas väheste harjastega isendid või paljude harjastega isendid. Vahepealse harjaste arvuga isendeid ei olnud. Katsetulemused näitasid, et ristumine toimus eelistatult liinisiseselt ja nii muutusid kaks alampopulatsiooni teineteisest isoleerituks.

 

 

Muutused populatsiooni geneetilises struktuuris.

 

Kõrvalekalded vabast ristumisest.

 

Kui ristumine populatsiooni siseselt ei toimu vabalt, on genotüüpide sagedus järglaskonnas teistsugune, kui seda kirjeldab Hardy-Weinbergi valem. Populatsioonisisese vaba ristumise piirangud võivad viia inbriidingule, mille kõige äärmuslikum võimalus on iseviljastumine. Inbriidingu tulemusena jääb alleelide sagedus populatsioonis küll samaks, kuid muutub genotüüpide sagedus. Veresuguluses olevate indiviidide (õed-vennad, vanemad-lapsed, onu/tädipojad-onu/täditütred) järglaste homosügootsuse aste tõuseb ja väheneb heterosügootsuse aste. Inbriidingu tulemusena võivad homosügootsesse olekusse sattuda ka muidu harva esinevad geneetilisi haigusi põhjustavad retsessiivsed alleelid. Näiteks kseroderma pigmentosum, mida põhjustab harvaesinev autosoomne retsessiivne DNA reparatsiooni defekt, on kirjeldatud enam kui 20% juhtudest, kus omavahel on abiellunud esimese astme nõod. Albinismi sagedus varieerub 1:10000 Põhja-Euroopas kuni 1:30000 Lõuna-Euroopas, kuid USA-s Arizona osariigis elavatel Hopi indiaanlastel esineb albinism sagedusega 1:200. Hopi indiaanlaste populatsioon on suhteliselt isoleeritud ning seal on sageli sugulastevahelisi abielusid. Kuna maapind on seal kehv, asuvad põllud, kus mehed töötavad, sageli küladest kaugel. Albiinod mehed ei talu pikki tunde päikese käes viibimist ja jäetakse seetõttu naistele-lastele appi koduseid töid tegema. Nii  juhtub, et sel ajal, kui teised mehed end põllul oimetuks töötavad, on külas olevatel meestel rohkem võimalusi isaks saada.

 

Üleüldine risk saada sugulusabielude korral haige laps pole nii suur, kui seda vahel ette kujutatakse. Näiteks, kui omavahel abielluvad esimese astme nõod, on risk võrreldes mittesuguslusabieludega ainult kaks korda suurem.

 

Geenitriiv.

 

Populatsiooni paljunemise käigus võib alleelide sagedus muutuda juhuslike sündmuste tulemusena. Nähtust nimetatakse geenitriiviks ning see leiab aset väikeste populatsioonide puhul. Oletame, et alleel A põhjustab valget värvust ning alleel a punast ning algselt on mõlemaid alleele populatsioonis võrdselt. Juhuslik valim kümnest gameedist (kuus põhjustavad valget, neli punast värvust)  on aluseks viiele isendile. Sel juhul on järglastel alleelide sagedus muutunud, neil esineb 60% alleeli A ja 40% alleeli a. Juhuslikult valitud 10 gameeti järglastelt võivad alleelide suhet veelgi muuta. Näiteks oletame, et teise põlvkonna viie järglase saamisel osalevad kaheksa gameeti, mis sisaldavad alleeli A ning kaks gameeti, mis sisaldavad alleeli a. On võimalus, et üks alleelidest kaobki lõpuks.

 

Geenitriivi on kirjeldatud ka inimpopulatsioonide puhul. 18. sajandi algul rändas Saksamaalt Ameerikasse  rühm inimesi, kes kuulusid saksa baptistide usulahku, mille liikmeid nimetati dunkeriteks (“dunk”- vette kastma). Kuni tänaseni elavad dunkerid USA-s isoleerituna. Abielusid usulahku mittekuuluvate inimestega tuleb ette väga harva. Kuna dunkerite populatsioon on väike, on seal ABO vererühmasid määravate alleelide sagedus võrreldes ülejäänud USA elanikkonnaga ning Saksamaa populatsiooniga, millest nad pärit olid, silmatorkavalt erinev. Näiteks vererühm B või AB esineb neil sagedusega 5%, teistel on vastavate vererühmade sagedus 15%. Vererühma A esineb dunkeritel sagedusega 60%, teiste 40-45%.

 

Geenitriivi üks mehhanisme on rajaja efekt (founder effect) e. asutaja efekt, mis seisneb selles, et emapopulatsioonist irdunud üksikud isendid panevad aluse uuele populatsioonile, mille geneetiline struktuur erineb oluliselt lähtepopulatsiooni omast. Seda mõistet kasutatakse ka sel juhul, kui mingis populatsioonis levib teatav geneetiline eripära, mis on saanud alguse ühest või mõnest immigrandist, kes on mingil põhjusel olnud keskmisest kõrgema sigivusega. Rajaja efekti on kirjeldatud Havai saartel elutsevate Drosophila liikide korral. Esialgu jõudsid Aasiast Kauai saarele väga üksikud kärbsed ning nende esiema kandis mutatsiooni, mis muutis tiivad kirjuks. Seejärel levisid mutantsed järglased saarel laiemalt, toimusid populatsioonisisesed lahknemised saare ökoloogiliselt erinevaid piirkondi asustavate isendite suhtes. Järk-järgult toimus ka nooremate saarte asustamine, kusjuures asustajateks olid jällegi väga üksikud isendid. Kogu asustamisprotsessi on suudetud taastada tänu erinevate liikide mutatsioonide (spetsiifilised inversioonid kromosoomides) analüüsile. Nii oli võimalik arvutada, kui palju isendeid edasi rändas ja kui paljude liikide esiemadeks nad olid.

 

Migratsioon muudab alleelide sagedust.

 

Kui ühest populatsioonist toimub migratsioon teise, tavaliselt väiksemasse populatsiooni, võib selle populatsiooni geneetiline koostis muutuda. Näiteks toimub migratsioon mandrilt saarele. Migratsiooni kiirus m on võrdne alleelide hulgaga, mis asendatakse iga põlvkonna vältel. Kui q_i on asendatava alleeli sagedus saarel ja q_c on asendava alleeli sagedus mandril, siis migratsioonijärgselt on alleeli sagedus arvutatav järgmiselt:

 

                     q_i^’ = (1 – m) q_i + m q_c ning alleeli sageduse muutus ühe generatsiooni vältel on

 

                     Dq_i = q_i^’ - q_i = m (q_c – q_i)

 

Kui migratsioon lõpeb (m = 0), siis alleeli sageduse muutus Dq_i võrdsustub nulliga. Sama juhtub ka siis, kui alleelide sagedused mandril ja saarel võrdsustuvad.

 

Migratsiooni tulemusena ühtlustuvad populatsioonid geneetiliselt. Samuti võimaldab migratsioon tuua populatsiooni uut geneetilist informatsiooni. Komplitseeritumatel juhtudel toimub migratsioon populatsioonide vahel mõlemasuunaliselt või rohkem kui kahe populatsiooni vahel korraga. Kas populatsioon säilitab oma algse geneetilise koostise või mitte, sõltub sellest, kui suur on migrantide hulk. Teoreetilised arvutused näitavad, et kui iga järglaste põlvkonna vanemate hulgas on isegi suhteliselt väike arv migrante, võib see viia populatsioonide geneetilisele ühtlustumisele.

 

Mutatsioonid kui geneetilise muutlikkuse allikas.

 

Laiemas tähenduses mõeldakse mutatsioonide all kõiki muutusi geneetilises materjalis, kuhu kuuluvad ümberkorraldused kromosoomides, deletsioonid, duplikatsioonid, aga samuti ka punktmutatsioonid. Järgnevalt käsitleme täpsemalt punktmutatsioonide osa geneetilise muutlikkuse tekkes.

 

Populatsioonigeneetika ning evolutsiooni seisukohalt nimetatakse mutatsioone kas kasulikeks, kahjulikeks või neutraalseteks vastavalt sellele, kuidas nad mõjutavad mutatsiooni kandva isendi eluvõimet ning fertiilsust. Seega mutatsioonid kas suurendavad, vähendavad  või ei muuda isendite kohasust (fitness). Nii looduslik valik kui ka geenitriiv määravad selle, kas mutatsioon jääb populatsioonis püsima või elimineerub sealt.

 

Mõnede organismide, näiteks bakterite puhul eristuvad tüved, millel on mutatsioonisagedus normaalsest oluliselt kõrgem. Neid tüvesid nimetatakse mutaatortüvedeks ning kõrget mutatsioonisagedust põhjustavad kas vigaderohke DNA replikatsioon, häired DNA reparatsioonisüsteemides või mobiilsete DNA elementide kõrgenenud aktiivsus. Teatud olukordades võib mutaatorfenotüüp organismidele kasulik olla. Samas ei tohi mutatsioonisagedus olla liiga kõrge sellepärast, et sel juhul koguneb populatsiooni liiga palju kahjulikke mutatsioone ning populatsioon hukkub. Mutatsioonisagedus ei tohi võrdsustuda ka nulliga, sest sel juhul puudub populatsioonis geneetiline muutlikkus ning populatsioon ei suuda kohaneda muutuvate keskkonnatingimustega.

 

Mutatsioonid tekivad juhuslikult. Seda on näidatud katseliselt näiteks E. ja J. Lederbergi poolt bakterikolooniatest replikate tegemisel erinevatele söötmetele. John Cairns ja tema kolleegid on kirjeldatud nn “näilise suunatuse” fenomeni, kus bakterite hoidmisel selektiivsetes tingimustes toimub populatsioonis selliste mutatsioonide akumuleerumine, mis võimaldavad mutantidel selektiivsetes tingimustes paljuneda erinevalt ülejäänud populatsiooni rakkudest, kes ei ole antud tingimustes võimelised kasvama. Näiteks toimus laktoosi kasutavate Lac⁺ revertantide akumuleerumine, kui geenis lacZ raaminihet sisaldavad E. coli rakud, mis ei olnud võimelised laktoosi süsinikuallikana kasutama, viidi laktoosi sisaldavatele minimaalsöötmetele. Samas ei tuvastatud Lac⁺ revertantide akumuleerumist tingimustes, kus söötmes puudus laktoos. Edasised uuringud on näidanud, et näilise suunatuse fenomeni võib põhjustada see, et DNA reparatsioonisüsteemide töö on füsioloogiliselt ebasoodsates tingimustes olevates (nälgivates) bakterirakkudes häiritud. Sellest tulenev ajutine mutaatorfenotüüp võib viia  kasuliku mutatsiooni juhuslikule tekkele ning juhul, kui vastav mutatsioon võimaldab rakul hakata kasutama keskkonnast süsinikuallikat, kandub see mutatsioon järglaskonda.

 

Tasakaal valiku ja mutatsioonide vahel.

 

Populatsioonis püütakse hoida tasakaalu uue kahjuliku alleeli tekkimise ja tema valiku kaudu kõrvaldamise vahel. Kui kahjulikud mutantsed alleelid on retsessiivsed, toimub nende kõrvaldamine populatsioonist seda alleeli homosügootses olekus kandvate isendite kõrvaldamise teel või geenitriivi kaudu. Juhul, kui kahjulik mutantne alleel on dominantne, toimib valik negatiivselt seda alleeli heterosügootses olekus kandvate isendite vastu.

 

Alleeli elimineerumise kiirus valiku kaudu on sq², kus s on selektiivne surve ning q²on retsessiivse alleeli sagedus homosügootses olekus. Kui mutatsioonisagedus on tähistatud u-ga, siis tasakaalustatud olukorras on mutatsiooni tekke ja elimineerumise kiirused võrdsed. Sellest tuleneb, et u = sq² ja homosügootide sagedus q² = u/s. Retsessiivse alleeli sagedus q  populatsioonis võrdub ruutjuurega jagatisest u/s.

 

Dominantset akondroplaasiat (teatav kääbuskasvu vorm, mis homosügootses olekus on letaalne) põhjustava mutantse alleeli tekkesagedus inimpopulatsioonis on 1,6 x 10^-5. Selle mutantse alleeli suhtes heterosügootide kohasuse väärtus w on 0,2. Selektiivne surve s heterosügootidele on järelikult 1 – 0,2 = 0,8. Mutantse alleeli tasakaalustatud sageduse populatsioonis leiame jagatisest u/s = 1,6 x 10^-5/ 0,8 = 2 x 10^-5.

 

 

 

 

28. Geneetika ja liikide tekkimine.

 

Geneetilises mõttes seisneb evolutsioon populatsioonis esinevate alleelisageduste muutumises ning kromosoomide kombineerumises. Populatsioon evolutsioneerub loodusliku valiku tulemusena, mis toimib läbi geneetilise muutlikkuse. Populatsiooni geneetiline koostis muutub pidevalt ning mõnikord on muutused nii ulatuslikud, et viivad uue liigi tekkele. Uute liikide tekkimisel eristatakse kahte vormi. Ühel juhul toimub liigisisene areng kindlas suunas ning vana liik asendub uuega. Sellist liigitekke vormi nimetatakse füleetiliseks liigitekkeks (phyletic specification). Teisel juhul areneb eellasliigist kaks või enam uut liiki ning need rikastavad Maa liigilist koosseisu. Sellist liigitekke vormi nimetatakse hargnevaks liigitekkeks (branching specification). Edaspidi tulebki peamiselt juttu hargnevast liigitekkest, sest just tänu sellele vormile on meie biosfäär liigiliselt nii mitmekesine.

 

Sugulisel teel paljunevate organismide puhul on uute liikide tekkimisel põhiosa geneetiliste muutuste populatsioonisisesel akumuleerumisel, mille tulemusena kujuneb  geneetiliselt  lahknenud isendite vahele ristumisbarjäär. Juhul, kui siiski omavahel järglasi saadakse, on need steriilsed.

 

Geneetiline muutlikkus looduslikes populatsioonides.

 

Populatsioonisiseselt on kõik isendid üksteisest mõnevõrra fenotüübiliselt erinevad. Inimesed erinevad üksteisest näiteks kaalult, kasvult, naha värvuselt, juuste värvuselt, silmade värvuselt ning paljude teiste tunnuste poolest.

 

Fenotüübiline muutlikkus.

 

Organismide fenotüübiline muutlikkus looduslikus populatsioonis võib olla pidev (kvantitatiivne) või alternatiivne (kvalitatiivne, diskreetne). Näiteks lumehane sulestik võib olla valge või sinakas. Sulestiku värvus on kontrollitud ühe geeni kahe erineva alleeli poolt. Sel juhul on tegemist alternatiivse muutlikkusega. Kuna erinevusega sulestiku värvuses kaasnevad ka erinevused käitumises, eelistavad valged haned paarituda omavahel ning sinaka värvusega isendid omavahel.  Pidev fenotüübiline muutlikkus on täheldatav kõigis populatsioonides. Näiteks meritähe värvus varieerub läbi paljude vahepealsete variantide purpursest oranzhini.

 

Kromosoomide struktuuri polümorfism.

 

Igal liigil on iseloomulik karüotüüp, kromosoomistiku tunnustekogum (kindel kromosoomide arv ja struktuur). Siiski võib sageli kromosoomide struktuuris teatavaid erinevusi leida. Näiteks Kalifornias on Drosophila pseudoobscura populatsioonis kirjeldatud kolme erinevat kolmanda kromosoomi inversiooni mustrit Standard (ST), Arrowhead (AR) ja Chiricahua (CH). Kuigi väliselt eristamatud, on erinevate inversioonitüüpidega isendid aktiivsed erinevatel aastaaegadel. ST sagedus langeb ning CH sagedus tõuseb märtsist juunini ning kuumal perioodil juunist augustini tõuseb jälle ST sagedus ja langeb CH sagedus. Sellised kõikumised populatsioonis näitavad, et teatud tingimustes on erinevate inversioonidega isendite kohasus (fitness) erinev. ST ja CH inversioonidega kärbeste laboris kultiveerimise tulemusena ühe aasta vältel muutus eri tüüpi inversioonide osa populatsioonis oluliselt. Kui algselt oli populatsioonis 10% ST ja 90% CH inversioonidega isendeid, siis katse lõpuks, kui populatsioon oli stabiliseerunud, oli ST osakaal tõusnud 70%-ni ning CH osakaal langenud 30%-ni.

 

Muutlikkuse klassikaline ja tasakaalustatud mudel.

 

Populatsiooni geneetilise struktuuri kirjeldamiseks on loodud kaks mudelit. Klassikalise mudeli põhjal on metsiktüüpi alleeli esinemissagedus peaaegu 100%. Mutantsed alleelid on üldjuhul kahjulikud ning esinevad populatsioonis väga madala sagedusega, kuna need elimineeritakse sealt kiiresti. Mõned mutatsioonid võivad siiski olla ligilähedaselt neutraalsed, omamata erilist efekti isendi kohasusele. Sellise mutantse alleeli osakaal võib populatsioonis ajajooksul geenitriivi tulemusena kasvada, nii et mutantne alleel muutub populatsioonis tavaliseks.

 

Muutlikkuse tasakaalustatud mudeli põhjal esinevad populatsioonis kõrge sagedusega sama geeni erinevad alleelid. Nende säilumine populatsioonis toimub heterosügootide eelistamise kaudu tasakaalustatud valiku teel. Sel juhul on raske ühtegi neist alleelidest teistest normaalsemaks pidada, kuna antud keskkonnatingimustes elavate isendite puhul  toimivad nad kõik enamvähem võrdse edukusega.

 

Geneetiline muutlikkus molekulaarsel tasemel.

 

Looduslikes populatsioonides esinev fenotüübiline muutlikkus ei kajasta alati populatsioonides esinevat geneetilist muutlikkust. Selleks, et määrata geneetilise muutlikkuse osa kogu muutlikkuses, analüüsitakse juhuslikult valitud geenide alleelset varieeruvust. Mutatsioonid konkreetses geenis ning sellest tulenevad muudatused polüpeptiidi aminohappelises järjestuses on tuvastatavad mutantsete polüpeptiidide erineva liikuvuse kaudu geelelektroforeesil. Uuritavate polüpeptiidide asukoht geelis tuvastatakse kas nendele polüpeptiididele iseloomulike ensüümreaktsioonide teel (juhul, kui reaktsiooni tulemusena tekib geelis eristatav värviline produkt) või uuritavate polüpeptiidide vastaste antikehade abil.

 

Ka inimese ensüümide puhul on kirjeldatud ulatuslik polümorfism. Näiteks 24-st oksüdoreduktaaside lookusest on 7 polümorfsed, transferaaside 29-st lookusest aga 10 (vt. Tabel 28.2).

 

Valkude analüüs geelelektroforeesil ei võimalda tuvastada kõiki mutatsioone. Mõnede alleelide puhul võivad mutatsioonid olla toimunud hoopis väljapool polüpeptiidi kodeerivat ala, näiteks intronis, promootoralas või kodeerivatest järjestustest tahapoole jäävates alades. Samuti võib mutatsioon kodeerivas järjestuses muuta ainult koodoni viimast nukleotiidi, kuid mõlemal juhul kodeerivad koodonid sama aminohapet (näiteks UUA ja UUG kodeerivad mõlemad leutsiini); või siis toimub ühe aminohappe asendumine teisega, millel on eelmisega võrreldes sama laeng (näiteks valiini asendumine alaniiniga).

 

Muutusi DNA järjestuses kirjeldab näiteks restriktsioonifragmentide pikkuse polümorfism RFLP (restriction fragment-length polymorfism). Restriktaasid lõikavad DNA-d kindlatest järjestustest ning DNA molekuli lõikamise tulemusena tekivad erineva pikkusega DNA fragmendid, mida on võimalik geelelektroforeesil üksteisest lahutada. Kui mõnes ensüümi lõikamiskohas on toimunud muutus, ei lõika ensüüm sealt ning sel juhul tekivad võrreldes algse DNA lõikusega erineva pikkusega DNA fragmendid. RFLP analüüsi kasutatakse näiteks inimese neljandas kromosoomis asuva Huntingtoni tõve põhjustava alleeli läheduses paikneva lookuse D4S10 (funktsioon teadmata) uurimisel. DS410 on polümorfne restriktaasi HindIII lõikekohtade suhtes. Sellel lookusel on kirjeldatud neli erinevat HindIII poolt tekitatud fragmentide mustrit. Iga muster vastab ühele haplotüübile (alleeli sünonüüm), seega on üksteisest eristatavad haplotüübid A, B, C ja D. Kuna homoloogilisi kromosoome on kaks, on igal indiviidil neist kaks haplotüüpi, mis kombineeruvad kümnel erineval viisil AA, BB, CC, DD, AB, AC jne.

 

Mutatsioone DNA järjestuses on tuvastatud ka Huntingtoni tõbe põhjustava HD alleeli puhul. Huntingtoni tõbi on neurodegeneratiivne surmaga lõppev haigus, mis on põhjustatud geeni HD 5’ otsas asuvate CAG järjestuste amplifikatsioonist. 17-st teadaolevast HD alleelist 11-l esineb CAG järjestus 11 kuni 34 kordusena. Haigust põhjustava alleeli korral esineb järjestus CAG kuni 100 korduses.

 

Valkude aminohappelise järjestuse ja DNA nukleotiidse järjestuse võrdlustest saadud andmete põhjal on selgunud, et organismide liigisisene alleelne varieeruvus on suur. Geneetilise muutlikkuse säilumise eest populatsioonis vastutavad nii tasakaalustatud valik kui ka neutraalsete või peaaegu neutraalsete mutatsioonide korduv tekkimine.

 

 

 

 

 

Liigi kontseptsioon.

 

Loodusliku valiku toimel annavad oma geene järglastele edasi isendid, kes on ümbritseva keskkonnaga paremini kohastunud. Samas ei ole organismide kohastumine ümbritsevaga täiuslik, vaid alati on arenguvõimalusi. Populatsiooni geneetilise koostise mitmekesisuse suurenedes võib algne populatsioon jaguneda kaheks või mitmeks alampopulatsiooniks, mille vahel ei toimu enam ristumist. On tekkinud uued liigid.

 

Darwini õpetuse põhjal on liigid oma olemuselt dünaamilised, pidevas muutumises. Sellest tulenevalt on liigi mõiste defineerimine komplitseeritud.

 

Liigi fenotüübiline e. feeniline kontseptsioon (phenotypic or phenetic species concept) käsitleb liiki organismide fenotüübiliste omaduste kaudu. Selle kontseptsiooni põhjal on ühte liiki kuuluvate organismide fenotüübilised omadused sarnased. Fenotüübilise käsitluse puuduseks on see, et sarnasuse hindamiseks valitakse kunstlikult välja teatud omadused. Mõnede teiste omaduste põhjal grupeeruksid organismid aga teisiti. Sellegipoolest on selle kontseptsiooni rakendamine näiteks fossiilide süstematiseerimise puhul ainuvõimalik meetod.

 

Liigi bioloogiline kontseptsioon (biological species concept) defineerib liike kui erinevaid organismide gruppe, populatsioone, kus ristumine toimub ainult nende gruppide siseselt, gruppide vahel esinevad aga ristumisbarjäärid. Termini “populatsioon” kasutamine liigi definitsioonis viitab sellele, et liikide puhul kehtivad populatsioonigeneetikas kirjeldatud seaduspärasused. Geenide edasikandumine järglastele toimub samasse populatsiooni kuuluvate isendite ristumise tulemusena või sama liigi erinevatest populatsioonidest pärit isendite ristumise tulemusena. Geenide ülekannet erinevatesse liikidesse kuuluvate populatsioonidesse üldjuhul ei toimu.

 

Liigi fenotüübiline kontseptsioon lähtub sellest, et organismide morfoloogilised sarnasused peaksid kajastama ka nende geneetilist sarnasust. Kuigi paljudel juhtudel see nii ongi, on ka piisavalt liike, mille puhul see ei kehti. Näiteks Drosophila pseudoobscura ja Drosophila persimilis isendid on fenotüübiliselt eristamatud ja võiksid fenotüübilise klassifikatsiooni alusel kuuluda ühte liiki. Seda, et tegemist on siiski kahe erineva liigi esindajatega, tõestab nendevaheline ristumisbarjäär. Seega, lähtudes liigi bioloogilisest kontseptsioonist, on tegemist kahe lähedase, suhteliselt hiljuti lahknenud liigiga, mis ei ole jõudnud fenotüübiliselt veel märkimisväärselt divergeeruda. Liigi bioloogilise kontseptsiooni põhjal on samasse liiki kuuluvad isendid omavahel sarnased sellepärast, et nende geneetiline materjal on sarnane, kuid erineb teistesse liikidesse kuuluvate isendite omast. Liigi bioloogiline kontseptsioon on võrreldes fenotüübilise kontseptsiooniga laiemalt kasutusel ja võimaldab liike täpsemalt defineerida.

 

Siiski on ka ristumisbarjääril põhinev liigikontseptsioon osade organismide (tegelikult väga paljude puhul!) nagu näiteks bakterite puhul halvasti rakendatav. Kui vaadata mikroorganismide maailma, siis seal on ka erinevatesse perekondadesse kuuluvate organismide vaheline ristumine üsna tavaline. Geenide horisontaalne levik erinevate bakteriliikide vahel võib toimuda nii konjugatsiooni teel kui ka transformatsiooni ja transduktsiooni teel, ähmastades oluliselt liikidevahelisi piire. Viimasel ajal on bakterite klassifikatsioonil lisaks biokeemilistele testidele hakatud rakendama üha enam DNA võrdlevat analüüsi. 

 

 

Liikidevaheline ristumisbarjäär.

 

Erinevatesse liikidesse kuuluvate isendite vaheline ristumisbarjäär on tagatud kahe mehhanismiga.

 

Presügootilise isolatsiooni mehhanismi teel on takistatud erinevatesse liikidesse kuuluvate isendite paaritumine ning seega hübriidsete järglaste saamine. Isolatsioon võib toimida erinevatel viisidel:

1)        ökoloogiline isolatsioon – populatsioonid asustavad erinevaid elukeskkondi ega puutu kokku;

2)        ajaline isolatsioon – loomade paaritumise või taimede õitsemise ajad on erinevad;

3)        käitumuslik isolatsioon – erinevatesse liikidesse kuuluvate isendite vahel puudub külgetõmme, pulmarituaalid on erinevad;

4)        isolatsioon erinevate tolmuterade edasikandjate tõttu – esineb taimedel;

5)        isolatsioon sugurakkude sobimatuse tõttu.

 

Postsügootilise isolatsiooni mehhanismi toimel on hübriidne järglaskond vähese eluvõimega või steriilne, takistades sellega hübriidide paljunemist.

 

Tavaliselt toimivad liikidevahelises isolatsioonis mõlemad mehhanismid kombineeritult.

 

Liikide tekkimise erinevad viisid.

 

Uute liikide tekkimine võib toimuda väga erinevalt. Järgnevalt peatume neljal põhilisel viisil.

 

Allopatriline liigiteke.

 

Populatsioonisisene diferentseerumine leiab aset siis, kui muutuvad elukeskkonna füüsikalised või biootilised faktorid. Tegemist on astmelise protsessiga. Populatsiooni alaosades akumuleeruvad erinevad mutatsioonid, tekivad rassid, mis on kohastunud erinevate keskkonnatingimustega. Igale rassile on iseloomulik kindel alleelide muster. Samas võivad erinevatesse rassidesse kuuluvad isendid ristuda. Mida aeg edasi, seda enam alampopulatsioonid eristuvad, asustades erinevaid geograafilisi piirkondi. Põhimõtteliselt võib ka siis veel toimuda omavaheline ristumine. Kui aga populatsioonidevahelised geneetilised erinevused veelgi suurenevad, võib erinevatesse populatsioonidesse kuuluvate isendite vahele tekkida ristumisbarjäär ning see viitab juba uute liikide tekkele. Isegi siis, kui populatsioone varem eraldanud geograafilised barjäärid edaspidi kaovad, jäävad need populatsioonid (liigid) paljunemise seisukohalt isoleerituks. Juhul, kui uued liigid satuvad asustama jällegi ühist territooriumi, suureneb nendevaheline konkurents ning loodusliku valiku surve tugevneb. See omakorda võimendab liikidevahelist diferentseerumist.

 

Geograafilisest isolatsioonist põhjustatud populatsioonide eristumise kohta on palju näiteid. Näiteks Suures Kanjonis põhja- ja lõunakallast asustavad oravapopulatsioonid on fenotüübiliselt erinevad – põhjapoolse populatsiooni isendid on tumedama karvaga ja laiema sabaga. Kahe uue liigi tekkimine pole siiski veel lõpule jõudnud, sest erinevatesse populatsioonidesse kuuluvad isendid on võimelised veel, kuigi väga harva, eluvõimelisi ja sigimisvõimelisi järglasi andma. Seni on tegemist kahe alamliigiga Sciurus aberti aberti ja Sciurus aberti kaibabensis.    

 

Sümpatriline liigiteke.

 

Sümpatriline liigiteke ei eelda, et uueks liigiks kujunev populatsiooni alaosa oleks ülejäänud populatsioonist geograafiliselt eraldatud. See muudab selle teooria vastuoluliseks, kuna geograafilist isolatsiooni ei saa kunagi täielikult välistada. Populatsiooni ühes osas tekkinud unikaalsed mutatsioonid levivad teatavat ökoloogilist keskkonda asustavate isendite vahel. Geneetiliste erinevuste akumuleerumisel selles ökoloogilises tsoonis väheneb ristumine teisi elupaiku asustavate isenditega, mis soodustab geneetilist divergeerumist, kuni moodustub uus liik, mis on paljunemise seisukohalt emapopulatsioonist täielikult isoleeritud.

 

Sümpatrilise liigitekke näiteks tuuakse Põhja-Ameerikat asustavat kahte kärbseliiki Chrüsoperla carnea ja C. downesi. Nende kehavärvus on seotud käitumuslike eelistustega. C. carnea on kevadel ja suve algul heleroheline ja muutub sügise saabudes pruuniks. Selle liigi isendid asustavad kevadel rohttaimi, sügisel elutsevad nad aga värvimuutvatel lehtpuudel. C. downesi on tumeroheline ning tema levikuala on seotud igihaljaste puudega. Puuduvad tõendid, et need kaks liiki oleksid kunagi üksteisest geograafiliselt eraldatud olnud. Samas on nende paljunemise isolatsioon põhjustatud erinevatel aastaaegadel toimuvast paljunemistsüklist ning erinevatest käitumuslikest eelistustest. C. carnea paaritub talvel ja suvel, C. downesi aga ainult kevadel. Kui nende kahe liigi isendid laboris kunstlikult kokku viia (paaritumistsükli aja määrab valge ja pimeda aja suhe), saadakse hübriidsed järglased, kes on fertiilsed. Kärbeste värvust kontrollivad ühe geeni kaks alleeli. G₁G₁ isendid on helerohelised, värvudes hiljem pruuniks, G₂G₂ isendid aga tumerohelised. Vahepealne fenotüüp, mis avaldub alleelide G₁G₂ korral, looduses ei esine. See kinnitab, et nende liikide vahelist ristumist nende looduslikus elukeskkonnas ei toimu. Paaritumistsükli suvel ja talvel toimumist kontrollib dominantne alleel, mõlema retsessiivse alleeli puhul on tsükkel kevadine. Arvatakse, et algtõuke nende liikide kujunemiseks andis polümorfismi tekkimine keha värvust kontrollivas lookuses. G₁G₁ homosügoodid olid paremini kohanenud eluks rohurindes ja lehtpuudel, G₂G₂ homosügoodid aga okaspuudel. Samas olid vahepealse värvusega heterosügoodid ümbritseva elukeskkonnaga vähem kohanenud. Seega toimis populatsioonile lõhestav valik, mis eelistas sama värvusega isendite ristumist omavahel ning soodustas kahe alampopulatsiooni geneetilist eristumist. Lõhestava valiku käigus kujunesid välja ka erinevalt ajastatud paljunemistsüklid.

 

Parapatriline liigiteke.

 

Parapatriline liigiteke on kiire protsess ning selles osaleb vähe isendeid, sageli on nad populatsiooni äärealadelt. See liigitekke viis ei eelda geograafilist eraldatust. Isolatsioon paljunemises tekib tänu kromosoomides toimunud struktuursetele ümberkorraldustele, mis takistavad ümberkorraldusi sisaldavate kromosoomide paardumist meioosiprotsessis homoloogiliste kromosoomidega, mis neid muutusi ei sisalda ning kromosoomide lahknemist.

 

Parapatrilise liigitekke tulemusena on kujunenud neli pimeroti Spalax alamliiki, kes asustavad praegu erinevaid piirkondi Iisraelis. Pimerotid on väheliikuvad ja jäävad oma uru lähedale ka öösel toitu otsides. Igale alamliigile on iseloomulik teatav kromosoomide arv. Kahel põhjas elaval alamliigil on vastavalt 52 ja 54 kromosoomi, Iisraeli keskosa asustaval alamliigil 58 kromosoomi ja lõunas elaval alamliigil 60 kromosoomi. Laboritingimustes on püütud saada ka hübriidseid järglasi, kuid nende eluvõime on väiksem. Tavaliselt on järglased steriilsed. Seega võiks neid alamliike käsitleda ka eraldi liikidena. Arvatakse, et nad said alguse ühisest eellasest Spalax mimtus,  kes elutses selles piirkonnas 500000 aastat tagasi (leitud on selle eellase fossiile). Neutraalse väärtusega ümberkorraldused kromosoomides toimusid üksikutel isenditel, kuid isoleerisid nad ülejäänud populatsioonist. Isolatsioonile ja edasisele divergeerumisele aitas kaasa ka suhteliselt paikne eluviis.

 

Liigiteke populatsiooni väikeste alaosade eraldumise teel (quantum specification).

 

Väike rühm isendeid eraldub algsest populatsioonist, asustades uut elukeskkonda. Kuna nad on emapopulatsioonist isoleeritud, ei toimu populatsioonide vahel geneetilise informatsiooni vahetust. See väike rühm võib eraldatuse tõttu veelgi kokku kuivada ning lõpuks jäävad eraldunud gruppi esindama üksikud, populatsioonile ebatüüpilised isendid. Eraldunud populatsiooni taastumisel selekteeruvad loodusliku valiku tulemusena välja isendid, kes erinevad oma genotüübilt algsest populatsioonist sel määral, et nendevaheline ristumine on takistatud. Sellist liigitekke viisi sobib illustreerima uute Drosophila liikide moodustumine üksikute isendite sattumisel uutele saartele Havai saarestikus. Erinevalt allopatrilisest liigitekkest, mis on järk-järguline ja pikaajaline protsess ning kus määravaks on looduslik valik, toimub siinkäsitletud protsess väga kiiresti, juba väheste põlvkondade vältel ning olulist rolli mängib siin juhus. 

 

 

Evolutsiooniliste muutuste toimumise kiirus ei ole alati ühtlane.

 

1972. aastal otsisid Stephen Gould ja Niles Eldridge selgrootute kivistisi uurides tõendeid darwinistlikule evolutsiooniteooriale, mille alusel toimub liikide evolutsiooniprotsess ühtlase kiirusega, muutused leiavad aset järk-järgult. Juba Darwin märkis, et osade fossiilide puhul puudusid üleminekuvormid, kuid ta arvas, et osa kivistisi jäi lihtsalt leidmata. Vahepealsete vormide otsinguid on paleontoloogid jätkanud kuni tänapäevani, kuid osadel juhtudel edutult. Puuduvad lüngad viitaksid nagu sellele, et mõnede liikide tekke puhul toimusid muutused väga järsult. Just sellele järeldusele tulid Gould ja Eldridge, viidates sellele, et evolutsioonilised muutused võivad aset leida ka ebaühtlase kiirusega. Populatsioon võis püsida ühtlasena pika aja vältel, seejärel aga toimuvad kusagil populatsiooni äärealadel äkilised muudatused, mis viivad uute liikide tekkele. Kuna uutele liikidele aluseks saanud isendite rühmad olid väga väikesed, on neist säilunud kivististe leidmise tõenäosus äärmiselt väike. Selline katkestatud tasakaalu (punctuated equilibrium) mudel viitab sellele, et evolutsiooniliste muutuste toimumise kiirus on ebaühtlane. Hüppelised muutused, mis viivad uute liikide tekkele, toimuvad väga lühikese aja vältel, seejärel võivad liigid pika aja vältel suhteliselt muutumatutena püsida. Kuna erinevate liikide eellaste otsimisel on osade liikide puhul leitud fossiile, mis kinnitavad evolutsiooniliste muutuste toimumist ühtlase kiirusega (gradual change), teiste puhul pole aga vahepealseid lülisid leitud, võiksid nii katkestatud tasakaalu mudeli alusel kui ka pidevalt toimuvate muutuste teel toimunud uute liikide tekkimine olla eluslooduse evolutsiooni seisukohalt võrdse tähtsusega.

 

Mõnikord võib kivististe üle jäädagi vaidlema. Samu leide interpreteerivad nii gradualistid kui ka punktualistid enda teooria kasuks. Näiteks Turkana järve põhjast Keenias on leitud tigude kivistisi, mida punktualistide koolkond peab kuuluvaks erinevatesse liikidesse, mis on tekkinud suhteliselt lühikese aja vältel. Gradualistid seevastu arvavad, et antud leidude morfoloogilised erinevused ei viita mitte erinevatele liikidele, vaid erinevused on liigisisesed.

 

Katkestatud tasakaalu mudelit toetavad Jeremy Jacksoni ja Alan Cheethami poolt teostatud uuringud. Nad analüüsisid korallilaadsete selgrootute fossiilide morfoloogiat ning paigutasid leiud erinevatesse liikidesse, lähtudes 46-st erinevast karakteristikust. Testimaks, kas sama klassifitseerimise süsteem töötab ka tegelikkuses, rakendasid nad samu karakteristikuid ka praegu elavate liikide klassifitseerimiseks. Süsteem sobis, valitud morfoloogilised iseärasused võimaldasid tõepoolest kirjeldada erinevaid liike. Kivististe analüüsi põhjal järeldati, et 15 miljoni aasta jooksul on need liigid püsinud 2 kuni 6 miljoni aasta jooksul suhteliselt muutumatutena, seejärel aga, suhteliselt lühikeste ajavahemike jooksul (vähem kui 160000 aastat) lahknesid uued liigid, mis jätkasid kooseksisteerimist algsete liikidega. Edaspidi rakendati Jacksoni ja Cheethami metoodikat ka tigude evolutsiooni kirjeldamiseks. Nende tulemuste valguses näib, et evolutsioonilised muudatused toimuvad eelistatult ebaühtlase kiirusega.

 

 

Primaatide evolutsioon rekonstrueerituna kromosoomide analüüsi tulemustest.

 

Inimese, shimpansi, gorilla ja orangutangi metafaasi kromosoomide G-vöötide võrdlusest selgus, et kõigi nelja liigi kromosoomid on suures ulatuses homoloogilised. Kromosoomide vöödilisuse mustri erinevuste analüüsil taastati see, mis järjekorras toimus nende nelja liigi lahknemine, millised ümberkorraldused kromosoomides teatavatel evolutsioonietappidel olid toimunud ning milline oli eellaste karüotüüp enne lahknemist erinevateks liikideks. Analüüsi tulemused võimaldasid teha kolm suurt järeldust:

1.         Orangutangi lahknemine gorilla, shimpansi ja inimese hominoidsest eellasest toimus eeldatavast hominoid-orang vahevormist;

2.         Hominoidne eellane lahknes hominoid-orang vahevormist hiljem kui orangutang;

3.         Inimese ja shimpansi eellane eraldusid pärast gorilla lahknemist inimese ja shimpansi ühisest eellasest.

 

Kromosoomide vöödilisuse mustri võrdlus näitas, et enamus ümberkorraldusi kromosoomides olid põhjustatud peritsentrilistest inversioonidest (inverteeritud segment sisaldas tsentromeeri), mille tulemusena muutus tsentromeeri asukoht kromosoomis. Lisaks inversioonidele kirjeldati ka retsiprookseid translokatsioone (näiteks translokatsioon viienda ja seitsmenda kromosoomi vahel gorillal, telomeeride liitumist (inimese lahknemise puhul toimus 2p ja 2q liitumine kromosoomiks number 2, 2q tsentromeer inaktiveerus). Inimese lahknemisel shimpansist on toimunud veel väikesed inversioonid kromosoomides 1 ja 18.

 

Eeldatav vahevorm, mis eksisteeris enne orangutangi lahknemist hominoidsest eellasest, erines neist 3, 7, 10 ja Y kromosoomi poolest. Orangutangide karüotüüp erineb hominoidse eellase karüotüübist erinevuste tõttu kromosoomides 2q, 4, 8, 11, 17 ja 20. Hominoidse eellase kromosoomid olid suures ulatuses sarnased gorilla, shimpansi ja inimese kromosoomidele. Gorilla eraldumisel sellest eellasest toimusid ümberkorraldused üheksas kromosoomis, shimpansi eraldumisel seitsmes kromosoomis.

 

Kromosoomide analüüsi tulemusi toetavad ka molekulaarsed uuringud. Praeguse nelja liigi puhul eeldatakse kolme eellase olemasolu: esimesest eellasest lahknes orangutang, teisest gorilla ning kolmandast toimus shimpansi ja inimese lahknemine.

 

Evolutsioon molekulaarsel tasemel.

 

Mutatsioonid DNA kodeerivas järjestuses kajastuvad enamasti valkude aminohappelises järjestuses. Erinevatesse liikidesse kuuluvate isendite polüpeptiidides toimunud muutuste analüüs võimaldab hinnata evolutsioonilisi sündmusi. Mida kaugemad liigid, seda enam on muutusi. Erinevad polüpeptiidid evolutsioneeruvad erineva kiirusega. a globiini homolooge on leitud haidest inimeseni. Kõige rohkem erinebki inimese a globiin haide omast. Valk on 141 aminohappe pikkune. Inimese ja karpkala ühine eellane eksisteeris umbes 400 miljonit aastat tagasi. Aeg T, mis on kulunud nende kahe eristumiseks, on topeltpikk – 800 miljonit aastat. Kui võrrelda karpkala ja inimese a globiine, siis nende aminohappelisesse järjestusesse selle aja vältel tekkinud 68 muutust. Erinevus D on 68/141 = 0,482 muutust aminohappe kohta. Seega on valk 800 miljoni aasta jooksul evolutsioneerunud kiirusega 0,6 x 10^-9 asendust aasta kohta. Põhimõtteliselt on võimalik, et mõned aminohapped on asendunud mitu korda. Korrektuuride sissetoomisel jääb evolutsioneerumise kiiruse väärtuseks üks asendus miljardi aasta kohta.

 

Fibrinopeptiidides on muutused võrreldes a globiiniga toimunud kaheksa korda kiiremini, histoonide puhul aga tuhat korda aeglasemalt. Miks on see nii? Motoo Kimura neutralistliku teooria põhjal on muudatused polüpeptiidide aminohappelises järjestuses leidnud aset neutraalsete või peaaegu neutraalsete mutatsioonide juhusliku fikseerumise tulemusena erinevate liikide genoomi. Muutused polüpeptiidi teatavatesse piirkondadesse ei ole lubatud. Näiteks aktiivtsentri rikkumisel kaob valgu funktsioon. Mida rohkem on polüpeptiidis selliseid aminohappeid, mille asendamine viib valgu funktsioonide kadumisele, seda vähem neutraalseid aminohappelisi asendusi me tuvastame. Võrreldes fibrinopeptiididega on histoonidel selliseid piirkondi, mis peavad püsima konstantsena, tunduvalt enam.

 

Molekulaarse evolutsiooni neutralistlik teooria ei arvesta seda, et mõned mutatsioonid võivad olla organismile kasulikud. Neutralistliku teooria põhjal saab valik toimida ainult kahjulike variantide kõrvaldamise kaudu. Erinevalt sünteetilisest evolutsiooniteooriast on kõrvale jäetud darvinistlik positiivne valik.

 

Inimese ja shimpansi vaheliste erinevuste analüüs.

 

Inimese ja shimpansi kromosoomide struktuuri võrdlus näitab, et shimpans on inimesele evolutsiooniliselt kõige lähedasem liik. Sama kinnitab ka molekulaarne analüüs. Inimese ja shimpansi välised tunnused (anatoomia, füsioloogia, käitumine ja ökoloogia) erinevad märksa enam, kui seda võiks eeldada nende valkude sarnasuse põhjal, mis näitab, et valgud on 99% ulatuses identsed (7,2 muutust 1000 aminohappe kohta). DNA järjestuste võrdlusest (peamiselt on kasutatud DNA hübridisatsiooni katseid) selgus et 3000 DNA aluspaari kohta tuleb keskmiselt 33 erinevust, mis on mõnevõrra suurem aminohappelisest erinevusest. See vahe tuleb sellest, et kõik muutused DNA primaarjärjestuses ei kajastu polüpeptiidide aminohappelises järjestuses, kuna osa muutusi leiavad aset regulatoorsetes DNA järjestustes või intronites, mis paiknevad kodeerivatest aladest väljas. Samuti tuleb arvestada geneetilise koodi kõdumist (nukleotiidi asendus koodoni viimases positsioonis ei muuda tavaliselt tema kodeerimisvõimet). Arvatakse, et inimese ja shimpansi väliste tunnuste suur erinevus on põhjustatud eeskätt sellest, et kromosomaalsete inversioonide ja translokatsioonide tulemusena muutunud geenide asukoht muutis nende geenide regulatsiooni ja avaldumise taset.

 

Inimese evolutsiooniline ajalugu.

 

Homo erectus rändas Aafrikast Euroopasse üle miljoni aasta tagasi. See populatsioon asendus teise väljarände tulemusena Aafrikast seal 150 tuhat aastat tagasi tekkinud kaasaegse inimese poolt. Inimese evolutsiooni kohta on kogutud hulgaliselt andmeid tänu mitokondriaalse DNA analüüsile. Mitokondritel on oma genoom, mille pikkus on 16569 aluspaari ning see kodeerib 37 geeni. Võrreldes tuuma DNA-ga muteerub mitokondriaalne DNA (mtDNA) 10 korda kiiremini ja see võimaldab uurida evolutsioonilisi sündmusi, mis on toimunud suhteliselt hiljuti ning lühema aja vältel. mtDNA kandub edasi ainult emaliini pidi. Isa mitokondrid paiknevad seemneraku sabas ja varustavad rakku energiaga. Kuna seemnerakus on aga väga vähe tsütoplasmat, siis on isa mitokondrite sattumise tõenäosus viljastatud munarakku väga väike. Seega võimaldab mtDNA järjestuse analüüs uurida inimpopulatsioonide päritolu emaliini pidi.

 

Mitokondriaalse DNA analüüsi tulemusena pärineb meie kõigi esiema Aafrikast. Samas on selge, et kaasaegne inimene sai alguse enam kui ühest naisest. Kuna ainult poegi sünnitanud naiste mitokondrid ei kandu järglastele edasi, taandusid arvutused lõpuks ühele liinile, mille alguses olevat naist hakati nimetama Aafrika Evaks. Tänapäeval Aafrikat asustav inimpopulatsioon on mitokondriaalse DNA suhtes kõige heterogeensem, mis viitab sellele, et see populatsioon on kõige vanem. Migratsioon teistesse piirkondadesse algas 100000 aastat tagasi. Kagu-Aasia ja Austraalia asustati üle 50 tuhande aastat tagasi, Euroopa 40 tuhat aastat tagasi ning Aasia põhjaalad 20 kuni 35 tuhat aastat tagasi.