Kalıtım

Kalıtım veya biyolojik miras olarak da adlandırılan kalıtım, özelliklerin ebeveynlerden yavrularına aktarılmasıdır; eşeysiz üreme veya eşeyli üreme yoluyla, yavru hücreler veya organizmalar ebeveynlerinin genetik bilgilerini edinir. Kalıtım yoluyla, bireyler arasındaki varyasyonlar birikebilir ve doğal seçilim yoluyla türlerin evrimleşmesine neden olabilir. Biyolojide kalıtımın incelenmesi genetiktir. ⓘ

Genel Bakış

Fenotipik özelliklerin kalıtımı: belirgin kulakları ve taçları olan bir baba ve oğul ⓘ

DNA yapısı. Bazlar merkezdedir ve çift sarmal içinde fosfat-şeker zincirleriyle çevrilidir. ⓘ

İnsanlarda göz rengi kalıtsal bir özelliğe örnektir: bir birey ebeveynlerinden birinden "kahverengi göz özelliğini" miras alabilir. Kalıtsal özellikler genler tarafından kontrol edilir ve bir organizmanın genomundaki genlerin tamamına genotip denir. ⓘ

Bir organizmanın yapısının ve davranışının gözlemlenebilir özelliklerinin tamamına fenotip denir. Bu özellikler, genotipin çevre ile etkileşiminden ortaya çıkar. Sonuç olarak, bir organizmanın fenotipinin birçok yönü kalıtsal değildir. Örneğin, bronz ten, kişinin genotipi ile güneş ışığı arasındaki etkileşimden kaynaklanır; bu nedenle, bronzluk insanların çocuklarına geçmez. Bununla birlikte, bazı insanlar genotiplerindeki farklılıklar nedeniyle diğerlerinden daha kolay bronzlaşır: bunun çarpıcı bir örneği, hiç bronzlaşmayan ve güneş yanığına karşı çok hassas olan kalıtsal albinizm özelliğine sahip kişilerdir. ⓘ

Kalıtsal özelliklerin, genetik bilgiyi kodlayan bir molekül olan DNA aracılığıyla bir nesilden diğerine aktarıldığı bilinmektedir. DNA, birbirinin yerine kullanılabilen dört tip baz içeren uzun bir polimerdir. Nükleik asit dizisi (belirli bir DNA molekülü boyunca bazların dizisi) genetik bilgiyi belirler: bu, bir metin pasajını heceleyen harf dizisiyle karşılaştırılabilir. Bir hücre mitoz bölünme yoluyla bölünmeden önce DNA kopyalanır, böylece ortaya çıkan iki hücrenin her biri DNA dizisini miras alır. Bir DNA molekülünün tek bir işlevsel birimi belirten kısmına gen denir; farklı genler farklı baz dizilerine sahiptir. Hücreler içinde, DNA'nın uzun iplikleri kromozom adı verilen yoğunlaşmış yapılar oluşturur. Organizmalar genetik materyali ebeveynlerinden, genleri kodlayan DNA dizilerinin benzersiz bir kombinasyonunu içeren homolog kromozomlar şeklinde miras alırlar. Bir kromozom içindeki bir DNA dizisinin spesifik konumu lokus olarak bilinir. Belirli bir lokustaki DNA dizisi bireyler arasında farklılık gösteriyorsa, bu dizinin farklı formlarına alel denir. DNA dizileri mutasyonlar yoluyla değişerek yeni aleller üretebilir. Bir gende mutasyon meydana gelirse, yeni alel genin kontrol ettiği özelliği etkileyerek organizmanın fenotipini değiştirebilir. ⓘ

Bununla birlikte, bir alel ile bir özellik arasındaki bu basit ilişki bazı durumlarda işe yarasa da, çoğu özellik daha karmaşıktır ve organizmalar içinde ve arasında birden fazla etkileşimli gen tarafından kontrol edilir. Gelişim biyologları, genetik ağlardaki karmaşık etkileşimlerin ve hücreler arasındaki iletişimin, gelişimsel plastisite ve kanalizasyondaki bazı mekaniklerin altında yatan kalıtsal varyasyonlara yol açabileceğini öne sürmektedir. ⓘ

Son bulgular, DNA molekülünün doğrudan etkisiyle açıklanamayan kalıtsal değişikliklerin önemli örneklerini doğrulamıştır. Bu olgular, genler üzerinde nedensel veya bağımsız olarak gelişen epigenetik kalıtım sistemleri olarak sınıflandırılmaktadır. Epigenetik kalıtım biçimleri ve mekanizmalarına ilişkin araştırmalar henüz bilimsel açıdan emekleme aşamasındadır, ancak bu araştırma alanı, kalıtımsallığın ve genel olarak evrimsel biyolojinin kapsamını genişlettiği için son zamanlarda büyük ilgi görmektedir. Kromatini işaretleyen DNA metilasyonu, kendi kendine devam eden metabolik döngüler, RNA girişimiyle gen susturma ve proteinlerin (prionlar gibi) üç boyutlu konformasyonu, epigenetik kalıtım sistemlerinin organizmik düzeyde keşfedildiği alanlardır. Kalıtım daha büyük ölçeklerde de gerçekleşebilir. Örneğin, niş oluşturma süreci yoluyla ekolojik kalıtım, organizmaların çevrelerindeki düzenli ve tekrarlanan faaliyetleri ile tanımlanır. Bu, sonraki nesillerin seçilim rejimini değiştiren ve geri besleyen bir etki mirası oluşturur. Torunlar, genlerin yanı sıra ataların ekolojik eylemleri tarafından üretilen çevresel özellikleri de miras alırlar. Evrimde genlerin doğrudan kontrolü altında olmayan diğer kalıtsallık örnekleri arasında kültürel özelliklerin kalıtımı, grup kalıtsallığı ve simbiyogenez yer alır. Genin üzerinde işleyen bu kalıtsallık örnekleri, evrimsel bilim tarihinde yoğun bir tartışma konusu olan çok düzeyli veya hiyerarşik seçilim başlığı altında geniş bir şekilde ele alınmaktadır. ⓘ

Evrim teorisi ile ilişkisi

Charles Darwin 1859 yılında evrim teorisini ortaya attığında, teorinin en önemli sorunlarından biri kalıtımın altında yatan bir mekanizmanın olmamasıydı. Darwin, karışım kalıtım ve edinilmiş özelliklerin kalıtımının (pangenesis) bir karışımına inanıyordu. Karıştırma kalıtımı, sadece birkaç nesil içinde popülasyonlar arasında tekdüzeliğe yol açacak ve daha sonra doğal seçilimin üzerinde hareket edebileceği bir popülasyondan varyasyonu ortadan kaldıracaktı. Bu durum Darwin'in Türlerin Kökeni Üzerine'nin sonraki baskılarında ve daha sonraki biyolojik çalışmalarında bazı Lamarckçı fikirleri benimsemesine yol açmıştır. Darwin'in kalıtıma temel yaklaşımı, mekanizmalar önermekten ziyade nasıl işliyor gibi göründüğünün ana hatlarını çizmekti (üreme sırasında ebeveynde açıkça ifade edilmeyen özelliklerin kalıtılabileceğini, belirli özelliklerin cinsiyete bağlı olabileceğini vb. fark etmek). ⓘ

Darwin'in ilk kalıtım modeli, biyometrik kalıtım ekolünün çerçevesini çizen kuzeni Francis Galton tarafından benimsenmiş ve daha sonra büyük ölçüde değiştirilmiştir. Galton, Darwin'in pangenesis modelinin edinilmiş özelliklere dayanan yönlerini destekleyecek hiçbir kanıt bulamamıştır. ⓘ

Edinilmiş özelliklerin kalıtımının çok az temeli olduğu 1880'lerde August Weismann'ın birçok fare neslinin kuyruklarını kesmesi ve yavrularının kuyruk geliştirmeye devam ettiğini bulmasıyla gösterilmiştir. ⓘ

Tarih

Aristoteles'in kalıtım modeli. Sıcak/soğuk kısmı büyük ölçüde simetriktir, ancak baba tarafında diğer faktörlerden etkilenir; ancak biçim kısmı değildir. ⓘ

Antik Çağ'daki bilim insanlarının kalıtım hakkında çeşitli fikirleri vardı: Theophrastus erkek çiçeklerin dişi çiçeklerin olgunlaşmasına neden olduğunu; Hipokrat "tohumların" çeşitli vücut parçaları tarafından üretildiğini ve gebe kalma anında yavrulara aktarıldığını; Aristoteles ise erkek ve dişi sıvıların gebe kalma anında karıştığını düşünmüştür. MÖ 458'de Aeschylus, erkeğin ebeveyn, dişinin ise "içine ekilen genç yaşam için bir hemşire" olduğunu öne sürmüştür. ⓘ

Kalıtımla ilgili eski anlayışlar 18. yüzyılda iki tartışmalı doktrine dönüşmüştür. Epigenez Doktrini ve Ön Oluşum Doktrini, kalıtım anlayışının iki farklı görüşüydü. Aristoteles tarafından ortaya atılan Epigenez Doktrini, bir embriyonun sürekli olarak geliştiğini iddia ediyordu. Ebeveynin özelliklerinde meydana gelen değişiklikler, embriyoya yaşamı boyunca aktarılır. Bu doktrinin temeli, edinilmiş özelliklerin kalıtımı teorisine dayanıyordu. Bunun tam karşısında yer alan Ön Oluşum Doktrini ise "benzerin benzeri doğurduğunu" iddia ederek, embriyonun ebeveynlere benzer yavrular verecek şekilde evrimleşeceğini öne sürmüştür. Ön Oluşumcu görüş, üremenin çok önceden yaratılmış olanı ortaya çıkaran bir eylem olduğuna inanıyordu. Ancak 19. yüzyılda hücre teorisinin ortaya atılmasıyla bu görüşe itiraz edilmiş ve yaşamın temel biriminin bir organizmanın önceden oluşturulmuş bazı parçaları değil hücre olduğu kabul edilmiştir. Kalıtımın harmanlanması da dahil olmak üzere çeşitli kalıtsal mekanizmalar da düzgün bir şekilde test edilmeden veya ölçülmeden öngörülmüş ve daha sonra tartışılmıştır. Bununla birlikte, insanlar yapay seçilim yoluyla evcil hayvan ırklarının yanı sıra mahsuller de geliştirebilmiştir. Edinilmiş özelliklerin kalıtımı da Lamarck'ın evrimle ilgili ilk fikirlerinin bir parçasını oluşturmuştur. ⓘ

18. yüzyılda Hollandalı mikroskobist Antonie van Leeuwenhoek (1632-1723) insanların ve diğer hayvanların spermlerinde "hayvancıklar" keşfetti. Bazı bilim insanları her bir spermin içinde "küçük bir adam" (homunculus) gördüklerini iddia etmiştir. Bu bilim insanları "spermistler" olarak bilinen bir düşünce ekolü oluşturdular. Dişinin bir sonraki nesle tek katkısının homunculus'un içinde büyüdüğü rahim ve rahmin doğum öncesi etkileri olduğunu iddia ettiler. Karşıt bir düşünce okulu olan ovistler ise gelecekteki insanın yumurtada olduğuna ve spermin sadece yumurtanın büyümesini teşvik ettiğine inanıyordu. Ovistler, kadınların erkek ve kız çocukları içeren yumurtalar taşıdığını ve yavruların cinsiyetinin gebe kalmadan çok önce belirlendiğini düşünüyorlardı. ⓘ

Erken bir araştırma girişimi, 1878 yılında Alpheus Hyatt'ın aile fenotipleri (burun büyüklüğü, kulak şekli, vb.) ve patolojik durumların ve anormal özelliklerin ifadesi, özellikle de ortaya çıkma yaşı ile ilgili verileri derleyerek kalıtım yasalarını incelemek için bir araştırmaya öncülük etmesiyle ortaya çıktı. Projenin amaçlarından biri, neden bazı özelliklerin tutarlı bir şekilde ifade edilirken diğerlerinin oldukça düzensiz olduğunu daha iyi anlamak için verileri tablolaştırmaktı. ⓘ

Gregor Mendel: genetiğin babası

Mayoz bölünme sırasında genlerin segregasyon veya bağımsız çeşitliliğe göre nasıl değiştiğini ve bunun Mendel yasalarına nasıl dönüştüğünü gösteren tablo ⓘ

Genlerin parçacıklı kalıtımı fikri, 1865 yılında bezelye bitkileri üzerine yaptığı çalışmayı yayınlayan Moravyalı keşiş Gregor Mendel'e atfedilebilir. Ancak, çalışması yaygın olarak bilinmiyordu ve 1901 yılında yeniden keşfedildi. Başlangıçta Mendel kalıtımının yalnızca Mendel'in bezelye bitkilerinde gördüğü gibi büyük (niteliksel) farklılıkları açıkladığı varsayılıyordu ve (niceliksel) genlerin eklemeli etkisi fikri, R.A. Fisher'in (1918) "Mendel Kalıtımı Varsayımı Üzerine Akrabalar Arasındaki Korelasyon" makalesine kadar fark edilmemişti. Mendel'in genel katkısı, bilim insanlarına özelliklerin kalıtılabilir olduğuna dair faydalı bir genel bakış sağladı. Bezelye bitkisinde yaptığı gösteri, Mendel Özelliklerinin incelenmesinin temelini oluşturmuştur. Bu özellikler tek bir lokus üzerinde izlenebilir. ⓘ

Genetik ve kalıtımın modern gelişimi

1930'larda Fisher ve diğerlerinin çalışmaları, Mendelci ve biyometrik ekollerin modern evrim sentezinde bir araya gelmesiyle sonuçlandı. Modern sentez, deneysel genetikçiler ile doğa bilimciler arasındaki ve her ikisi ile paleontologlar arasındaki boşluğu doldurarak şunu belirtmiştir:

1. Tüm evrimsel olaylar, bilinen genetik mekanizmalar ve doğa bilimcilerin gözlemsel kanıtlarıyla tutarlı bir şekilde açıklanabilir.
2. Evrim aşamalıdır: küçük genetik değişiklikler, doğal seçilim tarafından düzenlenen rekombinasyon. Türler (veya diğer taksonlar) arasındaki süreksizlikler, coğrafi ayrılma ve yok olma (tuzlanma değil) yoluyla kademeli olarak ortaya çıktığı şeklinde açıklanmaktadır.
3. Seçilim büyük ölçüde değişimin ana mekanizmasıdır; küçük avantajlar bile devam ettirildiğinde önemlidir. Seçilimin nesnesi, çevresindeki ortamdaki fenotiptir. Genetik sürüklenmenin rolü belirsizdir; başlangıçta Dobzhansky tarafından güçlü bir şekilde desteklense de, daha sonra ekolojik genetikten sonuçlar elde edildikçe düşürülmüştür.
4. Popülasyon düşüncesinin önceliği: doğal popülasyonlarda taşınan genetik çeşitlilik evrimde kilit bir faktördür. Vahşi doğada doğal seçilimin gücü beklenenden daha büyüktü; niş işgali gibi ekolojik faktörlerin etkisi ve gen akışının önündeki engellerin önemi önemlidir. ⓘ

Türleşmenin popülasyonlar üreme açısından izole edildikten sonra gerçekleştiği fikri çok tartışılmıştır. Bitkilerde, poliploidi her türlü türleşme görüşüne dahil edilmelidir. 'Evrim öncelikle bir nesilden diğerine alellerin frekanslarındaki değişikliklerden oluşur' gibi formülasyonlar daha sonra önerilmiştir. Geleneksel görüşe göre gelişim biyolojisi ('evo-devo') sentezde çok az rol oynamıştır, ancak Stephen Jay Gould'un Gavin de Beer'in çalışmalarını anlatması onun bir istisna olabileceğini düşündürmektedir. ⓘ

Sentezin neredeyse tüm yönlerine zaman zaman, farklı derecelerde başarı ile meydan okunmuştur. Bununla birlikte, sentezin evrimsel biyolojide büyük bir dönüm noktası olduğuna şüphe yoktur. Pek çok kafa karışıklığını gidermiş ve İkinci Dünya Savaşı sonrası dönemde çok sayıda araştırmayı teşvik etmekten doğrudan sorumlu olmuştur. ⓘ

Ancak Trofim Lysenko, edinilmiş özelliklerin kalıtımına ilişkin Lamarckçı fikirleri vurguladığında Sovyetler Birliği'nde bugün Lysenkoizm olarak adlandırılan bir tepkiye neden oldu. Bu hareket tarımsal araştırmaları etkilemiş ve 1960'larda gıda kıtlığına yol açarak SSCB'yi ciddi şekilde etkilemiştir. ⓘ

İnsanlarda ve diğer hayvanlarda epigenetik değişikliklerin kuşaklararası kalıtımı olduğuna dair kanıtlar giderek artmaktadır. ⓘ

Yaygın genetik bozukluklar

• Frajil X sendromu
• Orak hücre hastalığı
• Fenilketonüri (PKU)
• Hemofili ⓘ

Türleri

Otozomal dominant bozukluk için örnek bir soyağacı tablosu. ⓘ

Otozomal resesif bozukluğa örnek bir soyağacı şeması. ⓘ

Cinsiyete bağlı bir bozukluğun örnek soyağacı şeması (gen X kromozomu üzerindedir)

Biyolojik kalıtım biçiminin tanımı üç ana kategoriden oluşmaktadır:

1. İlgili lokus sayısı

• Monogenetik ("basit" olarak da adlandırılır) - tek lokus
• Oligojenik - az sayıda lokus
• Poligenetik - birçok lokus ⓘ

2. İlgili kromozomlar ⓘ

• Otozomal - lokuslar cinsiyet kromozomu üzerinde yer almaz
• Gonozomal - lokuslar bir cinsiyet kromozomu üzerinde yer alır
  • X-kromozomal - lokuslar X-kromozomu üzerinde yer alır (daha yaygın durum)
  • Y-kromozomal - lokuslar Y-kromozomu üzerinde yer alır
• Mitokondriyal - lokuslar mitokondriyal DNA üzerinde yer alır ⓘ

3. Genotip-fenotip korelasyonu

• Baskın
• Orta ("kodominant" olarak da adlandırılır)
• Çekinik
• Aşırı baskın
• Az baskın ⓘ

Bu üç kategori, yukarıdaki sırayla bir kalıtım modunun her tam tanımının bir parçasıdır. Ek olarak, aşağıdaki gibi daha fazla özellik eklenebilir:

4. Tesadüfi ve çevresel etkileşimler ⓘ

• Penetrance
  • Tamamlandı
  • Eksik (yüzdesel sayı)
• İfadecilik
  • Değişmez
  • Değişken
• Kalıtılabilirlik (poligenetik ve bazen de oligogenetik kalıtım biçimlerinde)
• Maternal veya paternal imprinting fenomeni (epigenetiğe de bakınız) ⓘ

5. Cinsiyete bağlı etkileşimler ⓘ

• Cinsiyete bağlı kalıtım (gonozomal lokuslar)
• Cinsiyetle sınırlı fenotip ifadesi (örn. kriptorşizm)
• Anne hattı üzerinden kalıtım (mitokondriyal DNA lokusları durumunda)
• Baba hattı üzerinden kalıtım (Y-kromozomal lokuslar söz konusu olduğunda) ⓘ

6. Lokus-lokus etkileşimleri

• Diğer lokuslarla epistazi (örn. aşırı baskınlık)
• Diğer lokuslarla gen eşleşmesi (ayrıca bkz. çaprazlama)
• Homozigot ölümcül faktörler
• Yarı öldürücü faktörler ⓘ

Bir kalıtım şeklinin belirlenmesi ve tanımlanması da öncelikle soyağacı verilerinin istatistiksel analizi yoluyla gerçekleştirilir. İlgili lokusların bilinmesi durumunda, moleküler genetik yöntemleri de kullanılabilir. ⓘ

Dominant ve resesif aleller

Bir alel, en az bir kopyasının mevcut olması koşuluyla bir organizmanın görünümünde (fenotip) her zaman ifade ediliyorsa baskın olduğu söylenir. Örneğin, bezelyelerde yeşil bakla aleli G, sarı bakla aleli G'ye göre baskındır. Bu nedenle, GG (homozigot) veya Gg (heterozigot) alel çiftine sahip bezelye bitkileri yeşil baklalara sahip olacaktır. Sarı bakla aleli resesiftir. Bu alelin etkileri yalnızca her iki kromozomda da mevcut olduğunda görülür, gg (homozigot). Bu, bir kromozomun veya genin her iki kopyasının da aynı genetik diziye sahip olma derecesi olan Zigosite'den, başka bir deyişle bir organizmadaki alellerin benzerlik derecesinden kaynaklanır. ⓘ

• 

  Enzimlerdeki kalıtsal kusurlar genellikle otozomal bir şekilde kalıtılır çünkü X kromozomlarından daha fazla X olmayan kromozom vardır ve resesif bir şekilde kalıtılır çünkü etkilenmemiş genlerden gelen enzimler genellikle taşıyıcılarda semptomları önlemek için yeterlidir.

• 

  Öte yandan, yapısal proteinlerdeki kalıtsal kusurlar (osteogenezis imperfekta, Marfan sendromu ve birçok Ehlers-Danlos sendromu gibi) genellikle otozomal dominanttır, çünkü tüm yapıyı işlevsiz hale getirmek için bazı bileşenlerin kusurlu olması yeterlidir. Bu, mutasyona uğramış bir gen ürününün aynı hücre içinde mutasyona uğramamış gen ürününü olumsuz etkilediği baskın-negatif bir süreçtir. ⓘ