Kalıtımın Genel İlkeleri

Temel kavramlar: gen, alel, lokus, homolog kromozom

Çocukların anne ya da babaya benzemesi, kuşaktan kuşağa aktarılan bilginin sonucudur. Bu bilgi DNA'da saklıdır. DNA, ökaryot hücrelerde proteinlerle birlikte paketlenerek kromozomları oluşturur. Bir kromozomda bulunan ve belirli bir özelliğin (karakterin) ortaya çıkmasını sağlayan DNA bölümüne gen denir. Bir genin kromozom üzerindeki yerine lokus adı verilir.

Vücut hücrelerimizde kromozomlar çiftler hâlindedir: her çiftin bir üyesi anneden, diğeri babadan gelir. Aynı karakterlere ait genleri aynı sırayla taşıyan bu kromozom çiftlerine homolog kromozom denir. Eşey kromozomları dışındaki homolog kromozomlar aynı uzunlukta ve aynı sentromer konumundadır. Homolog kromozomlar aynı genleri taşır ama bu genlerin biçimleri aynı olmak zorunda değildir. Bir genin farklı biçimlerine alel denir. Örneğin bezelyede tohum rengini belirleyen genin sarı rengi veren ve yeşil rengi veren iki aleli vardır; bu aleller homolog kromozomların aynı lokusunda bulunur.

Alelleri harflerle gösteririz. Fenotipte etkisini her durumda gösteren alele baskın (dominant) alel denir ve büyük harfle yazılır (\(A\)). Etkisini yalnızca kendisiyle aynı alelle bir araya geldiğinde gösteren alele çekinik (resesif) alel denir ve aynı harfin küçüğüyle yazılır (\(a\)). Bir bireyin bir karakter için taşıdığı alel çiftine genotip, bu genotipin çevreyle etkileşimi sonucu ortaya çıkan gözlenebilir özelliklere fenotip denir. Boy, göz rengi, kan grubu, bir enzimin çalışıp çalışmaması fenotiptir.

• \(AA\) ve \(aa\) gibi aynı iki aleli taşıyan bireye homozigot (arı döl, saf döl) denir. \(AA\) homozigot baskın, \(aa\) homozigot çekiniktir.
• \(Aa\) gibi farklı iki alel taşıyan bireye heterozigot (melez) denir. Tam baskınlıkta \(Aa\) bireyin fenotipi \(AA\) bireyinkiyle aynıdır.

Buradan önemli bir sonuç çıkar: aynı fenotipteki iki bireyin genotipi farklı olabilir. Uzun boylu iki bezelyeden biri \(AA\), diğeri \(Aa\) olabilir. Çekinik fenotipli bir bireyin genotipi ise kesindir: kısa boylu bezelye mutlaka \(aa\)'dır.

Mendel ve bezelye deneyleri

Kalıtımın kurallarını ilk kez deneylerle ortaya koyan kişi Gregor Mendel'dir. Mendel, 1850'li ve 1860'lı yıllarda bugünkü Çekya'daki Brno kentinde bir manastırda bahçe bezelyesiyle yıllarca çaprazlama yaptı. O dönemde gen, DNA, kromozom kavramlarının hiçbiri bilinmiyordu; Mendel kalıtsal birimlerden "faktör" diye söz etti. Çalışmaları 1900 yılında başka araştırmacılar tarafından yeniden keşfedilince değeri anlaşıldı.

Bezelye bu iş için çok uygundu:

• Kolay yetiştirilir, kısa sürede döl verir ve bir bitkiden çok sayıda tohum elde edilir. Çok sayıda yavru, oranların güvenilir olmasını sağlar.
• Çiçeğin yapısı kendi kendine tozlaşmaya uygundur; bu sayede arı döller kolayca elde edilir. Araştırmacı istediğinde erkek organları keserek yapay tozlaşma da yaptırabilir.
• Belirgin, iki karşıt biçimi olan karakterleri vardır: tohum rengi (sarı, yeşil), tohum şekli (düz, buruşuk), çiçek rengi (mor, beyaz), gövde boyu (uzun, kısa) gibi. Mendel yedi karakterle çalıştı.

Mendel'in başarısı yöntemindeydi: önce birkaç kuşak boyunca kendileştirerek arı döller elde etti, her seferinde bir ya da iki karaktere odaklandı, yavruları tek tek sayıp oranlarla çalıştı. Kuşakları şöyle adlandırırız: çaprazlanan ilk ebeveynler P, onların yavruları F1, F1 bireylerinin kendi aralarında çaprazlanmasıyla oluşanlar F2 kuşağıdır.

Monohibrit çaprazlama ve ayrılma ilkesi

Tek bir karakter bakımından farklı iki arı döl çaprazlandığında buna monohibrit çaprazlama denir. Mendel sarı tohumlu arı döllerle yeşil tohumlu arı döllerini çaprazladığında F1'deki bütün tohumlar sarı oldu. Yeşil renk kaybolmuş gibiydi. F1 bitkileri kendileştirildiğinde ise F2'de yeşil tohumlar yeniden ortaya çıktı: 6 022 sarıya karşı 2 001 yeşil, yani yaklaşık 3 : 1.

Mendel bunu şöyle açıkladı: her birey her karakter için iki faktör taşır; gamet oluşurken bu iki faktör birbirinden ayrılır ve her gamete yalnızca biri geçer. Buna ayrılma ilkesi denir. Bugün bunun mayozdaki karşılığını biliyoruz: mayoz I'de homolog kromozomlar birbirinden ayrılır, bu yüzden \(Aa\) bireyin gametlerinin yarısı \(A\), yarısı \(a\) taşır.

Çaprazlamanın sonucunu görmenin en düzenli yolu Punnett karesidir. Bir ebeveynin gametleri karenin üstüne, diğerininki soluna yazılır; her hücreye iki gametin birleşmesiyle oluşan zigot yazılır. Her gamet eşit olasılıklı olduğundan her hücrenin olasılığı da eşittir.

Kare bize iki şey öğretir. Birincisi, F2'deki 3 : 1 oranı aslında 1 : 2 : 1 genotip oranının fenotipe yansımasıdır. İkincisi, F2'deki baskın fenotiplilerin hepsi aynı değildir: üç uzun boylu bitkiden biri \(AA\), ikisi \(Aa\)'dır. Yani baskın fenotipli bir F2 bireyinin heterozigot olma olasılığı \(\frac{2}{3}\)'tür, \(\frac{1}{2}\) değil. Bu ayrıntı soy ağacı sorularında da karşımıza çıkacak.

Kontrol çaprazlaması

Baskın fenotipli bir bireyin genotipini fenotipine bakarak bilemeyiz. Bunu öğrenmek için birey, homozigot çekinik (\(aa\)) bir bireyle çaprazlanır. Buna kontrol çaprazlaması (geri çaprazlama) denir. Çekinik bireyin bütün gametleri \(a\) taşıdığı için yavruların fenotipi doğrudan incelenen bireyin gametlerini gösterir.

• Yavruların hepsi baskın fenotipteyse incelenen birey büyük olasılıkla \(AA\)'dır (yavru sayısı arttıkça bu sonuç güvenilir olur).
• Yavruların yaklaşık yarısı çekinik fenotipteyse birey kesinlikle \(Aa\)'dır. Tek bir çekinik yavru bile \(a\) alelinin varlığını kanıtlar.

İki karakterde de aynı mantık çalışır: \(aabb\) ile yapılan kontrol çaprazlamasında yavrularda görülen her fenotip, incelenen bireyin bir gamet çeşidine karşılık gelir.

Dihibrit çaprazlama, bağımsız dağılım ve gamet sayısı

İki karakter bakımından farklı arı döller çaprazlanırsa buna dihibrit çaprazlama denir. Mendel sarı ve düz tohumlu arı döllerle (\(SSDD\)) yeşil ve buruşuk tohumlu arı döllerini (\(ssdd\)) çaprazladı. F1'in hepsi sarı-düz (\(SsDd\)) oldu. F2'de dört fenotip ortaya çıktı ve oranları yaklaşık 9 : 3 : 3 : 1 idi. Üstelik F2'de ebeveynlerde olmayan iki yeni birleşim (sarı-buruşuk ve yeşil-düz) vardı.

Bu sonuç, iki karakterin alellerinin gametlere birbirinden bağımsız dağıldığını gösterir: bir gametin \(S\) ya da \(s\) alması, onun \(D\) ya da \(d\) almasını etkilemez. Buna bağımsız dağılım ilkesi denir. \(SsDd\) bireyi dört çeşit gameti eşit olasılıkla oluşturur: \(SD\), \(Sd\), \(sD\), \(sd\). Mayozdaki karşılığı şudur: farklı homolog çiftleri mayoz I'de kutuplara birbirinden bağımsız olarak dağılır.

Bağımsız dağılım genlerin farklı kromozom çiftlerinde bulunmasına dayanır. Aynı kromozomda yakın duran genler (bağlı genler) gametlere çoğunlukla birlikte geçer; aralarında krossing over olursa ayrılabilir. Sorularda aksi belirtilmedikçe genlerin farklı kromozomlarda olduğu kabul edilir.

Bir bireyin oluşturabileceği gamet çeşidi sayısı, heterozigot gen çifti sayısı \(n\) ise \(2^{n}\)'dir. Homozigot gen çiftleri gamet çeşidini artırmaz, çünkü o gen için her gamete aynı alel gider. \(AaBBCcdd\) bireyinde heterozigot çift sayısı 2'dir; gamet çeşidi \(2^{2} = 4\)'tür: \(ABCd\), \(ABcd\), \(aBCd\), \(aBcd\).

Bu çarpma işleminin dayanağı olasılığın çarpım kuralıdır: birbirinden bağımsız iki olayın birlikte gerçekleşme olasılığı, olasılıklarının çarpımıdır. Aynı anda gerçekleşemeyen iki olaydan birinin gerçekleşme olasılığı ise toplama kuralıyla bulunur: \(Aa \times Aa\) çaprazlamasında yavrunun baskın fenotipte olma olasılığı \(\frac{1}{4} + \frac{1}{2} = \frac{3}{4}\)'tür.

Eksik baskınlık

Her alel çifti tam baskınlık göstermez. Aslanağzı ve akşam sefası bitkilerinde kırmızı çiçekli arı döller beyaz çiçekli arı döllerle çaprazlandığında F1'in tamamı pembe çiçekli olur. Hiçbir alel diğerini tam olarak baskılayamamıştır; heterozigotta ara bir fenotip ortaya çıkar. Buna eksik baskınlık denir. Bu durumda iki alel de büyük harfle gösterilir: \(KK\) kırmızı, \(BB\) beyaz, \(KB\) pembe.

Eksik baskınlıkta F2'de genotip oranı ile fenotip oranı aynıdır (1 : 2 : 1), çünkü her genotip ayrı bir fenotip verir. F2'de kırmızı ve beyaz çiçeklerin yeniden görülmesi, F1'de alellerin karışıp kaybolmadığını, yalnızca birlikte ara bir etki oluşturduğunu gösterir. Bu da Mendel'in ayrılma ilkesini destekler: pembe renk boyaların karışması gibi bir "karışma" olsaydı F2'de yeniden kırmızı ve beyaz çıkmazdı.

Eş baskınlık, çok alellilik ve kan grupları

Heterozigot bireyde iki alelin de etkisinin fenotipte ayrı ayrı ve tam olarak görülmesine eş baskınlık denir. En bilinen örnek insanlardaki ABO kan grubu sistemidir. Bu sistemde bir gen için popülasyonda üç alel bulunur: \(I^{A}\), \(I^{B}\) ve \(i\). Bir karakterin popülasyonda ikiden fazla alelle belirlenmesine çok alellilik denir. Bireyler yine yalnızca iki alel taşır, çünkü her bireyde o lokustan yalnızca iki tane vardır.

\(I^{A}\) ve \(I^{B}\) birbirine karşı eş baskın, \(i\)'ye karşı baskındır: \(I^{A} = I^{B} > i\). AB kan gruplu bir kişinin alyuvarlarının zarında hem A hem de B antijeni bulunur; iki alelin etkisi birlikte görülür. Dört fenotipe karşılık altı genotip vardır. 0 ve AB gruplarının genotipi kesindir; A ve B gruplarında ise birey homozigot ya da heterozigot olabilir. Ailede 0 gruplu bir çocuk varsa her iki ebeveyn de \(i\) alelini taşıyordur; bu bilgi kan grubu sorularının anahtarıdır. AB gruplu bir ebeveyn \(i\) aleli taşımadığından, bu kalıtım modelinde 0 gruplu çocuğa sahip olamaz.

Rh faktörü ders kitaplarında tek gen çiftiyle basitleştirilerek anlatılır: Rh pozitif (Rh+) baskın alel \(R\), Rh negatif (Rh−) çekinik alel \(r\) ile gösterilir. Rh+ bireyler \(RR\) ya da \(Rr\), Rh− bireyler \(rr\) genotiplidir. ABO ve Rh genleri farklı kromozomlarda olduğundan bağımsız dağılır; "A Rh+ çocuk" gibi sorularda iki olasılık çarpılır.

Cinsiyetin belirlenmesi ve eşeye bağlı kalıtım

İnsanın vücut hücrelerinde 46 kromozom bulunur. Bunların 44'ü kadında ve erkekte aynı olan vücut kromozomları (otozomlar), 2'si eşey kromozomlarıdır (gonozomlar). Kadın 44 + XX, erkek 44 + XY kromozom taşır. Mayozla oluşan yumurtaların hepsi 22 + X'tir; spermlerin ise yarısı 22 + X, yarısı 22 + Y'dir. Döllenen yumurta X taşıyan bir spermle birleşirse kız (XX), Y taşıyan bir spermle birleşirse erkek (XY) birey gelişir. İnsanda çocuğun cinsiyetini babadan gelen gamet belirler ve hesaplarda her doğumda kız ya da erkek olma olasılığı \(\frac{1}{2}\) kabul edilir. Önceki doğumların sonucu bu olasılığı değiştirmez.

Bu düzen bütün canlılarda aynı değildir. Örneğin kuşlarda farklı eşey kromozomlarını dişiler taşır (dişi ZW, erkek ZZ); bal arısında erkekler döllenmemiş yumurtalardan gelişir. Sorularda verilen canlının kendi düzenini kullanmak gerekir.

X ve Y kromozomları büyük ölçüde farklı genler taşır. Y kromozomu küçüktür ve az gen içerir; X kromozomunda ise cinsiyetle ilgisi olmayan birçok gen bulunur. X kromozomunda bulunan genlerle aktarılan özelliklere X'e bağlı kalıtım denir. Renk körlüğü (kırmızı-yeşil) ve hemofili (kanın pıhtılaşmasında gecikme), X'e bağlı çekinik alellerle aktarılan iki bilinen özelliktir. Gösterimde alel, X'in üst simgesi olarak yazılır: \(X^{R}\) normal görme, \(X^{r}\) renk körlüğü; \(X^{H}\) normal pıhtılaşma, \(X^{h}\) hemofili.

Erkekte tek X bulunduğu ve Y'de bu genin karşılığı olmadığı için tek bir çekinik alel özelliğin görülmesine yeter. Kadında ise iki çekinik alel gerekir. Bu yüzden X'e bağlı çekinik özellikler erkeklerde kadınlardan çok daha sık görülür. Aktarım kuralları buradan çıkar:

• Erkek, X kromozomunu annesinden alır, kızlarına verir. Oğluna Y verir; bu yüzden babadan oğula X'e bağlı özellik geçmez.
• Hasta bir erkeğin bütün kızları en azından taşıyıcıdır.
• Hasta bir kadının bütün oğulları hastadır; hasta bir kızın babası da kesinlikle hastadır.
• Taşıyıcı anne ile normal babanın oğullarının yarısı hasta, kızlarının yarısı taşıyıcıdır; kızlarından hiçbiri hasta değildir.

Y kromozomunda bulunan genler ise yalnızca babadan oğula geçer ve kadınlarda hiç görülmez. Erkek gelişimini başlatan SRY geni buna bir örnektir. Bazı kaynaklarda kulak kepçesinde kıllanma da Y'ye bağlı özellik örneği olarak verilir, ancak bu özelliğin Y'ye bağlı olduğu kesinleşmiş değildir.

Soy ağacı çözümlemesi

Bir özelliğin aile içindeki dağılımını gösteren şemaya soy ağacı denir. Kare erkeği, daire kadını gösterir; özelliği gösteren bireylerin sembolü boyanır. İki birey arasındaki yatay çizgi evliliği, bu çizgiden inen dikey çizgi ve kardeş çizgisi çocukları gösterir. Akraba evliliği çift çizgiyle çizilir. Kuşaklar Romen rakamlarıyla, bireyler numarayla belirtilir. X'e bağlı özelliklerde taşıyıcı kadınlar bazen ortası noktalı daireyle gösterilir.

Soy ağacı sorularında şu sırayı izlemek işe yarar:

1. Baskın mı, çekinik mi? Özelliği göstermeyen iki ebeveynin özelliği gösteren bir çocuğu varsa özellik çekiniktir. Özelliği gösteren iki ebeveynin özelliği göstermeyen bir çocuğu varsa özellik baskındır.
2. Otozomal mı, X'e bağlı mı? X'e bağlı çekinik bir özellikte özelliği gösteren kızın babası, özelliği gösteren annenin bütün oğulları da özelliği göstermelidir. Bu kurallardan biri bozuluyorsa özellik otozomaldir. Kurallar bozulmuyorsa iki kalıtım şekli de mümkün olabilir; soru bunu da sorabilir.
3. Kesin genotipleri yaz. Çekinik fenotipliler kesindir. Özelliği gösteren bir çocuğu ya da ebeveyni olan baskın fenotipli birey (otozomal çekinik özellikte) kesinlikle heterozigottur.
4. Olasılığı hesapla. Genotipi kesin olmayan bireyler için koşullu olasılığı kullan: iki heterozigot ebeveynin baskın fenotipli çocuğu \(\frac{2}{3}\) olasılıkla heterozigottur.

Mutasyon, modifikasyon ve genetik çeşitlilik

DNA'nın nükleotit dizisinde ya da kromozomların yapısında veya sayısında meydana gelen kalıcı değişikliklere mutasyon denir. Mutasyonlar kendiliğinden oluşabileceği gibi radyasyon (UV, X ışınları) ve bazı kimyasal maddeler gibi etkenlerle de sıklaşabilir. Zararlı, etkisiz ya da nadiren yararlı olabilirler. Eşeyli üremede yavruya yalnızca üreme hücrelerinin taşıdığı mutasyonlar aktarılır; deri hücresinde oluşan bir mutasyon çocuğa geçmez. Kromozom sayısındaki değişikliğe Down sendromu örnek verilebilir: bu bireylerin hücrelerinde 21. kromozomun fazladan bir kopyası bulunur.

Çevre koşullarının etkisiyle fenotipte görülen, genotipi değiştirmeyen ve bu yüzden kalıtsal olmayan değişikliklere modifikasyon denir. Himalaya tavşanının vücudu beyaz, kulak, burun, ayak ve kuyruk uçları siyahtır; sırtından tüyleri kazınan bir bölge soğukta tutulursa orada siyah tüy çıkar. Ortanca bitkisinin çiçekleri asidik toprakta mavi, bazik toprakta pembe açar. Güneşte bronzlaşma ve düzenli spor yapan birinin kaslarının gelişmesi de modifikasyondur. Kısaca fenotip, genotip ile çevrenin birlikte etkisinin ürünüdür.

Akraba evliliği, çekinik alellerin homozigot hâle gelme olasılığını artırır. Toplumda nadir olan zararlı bir çekinik alel, ortak bir atadan gelerek iki akrabada birden bulunabilir. Akraba olmayan iki kişinin ikisinin de aynı nadir aleli taşıması çok daha düşük olasılıklıdır. Bu yüzden akraba evliliklerinden doğan çocuklarda otozomal çekinik hastalıklar daha sık görülür.

Eşeyli üreyen canlılarda kardeşlerin birbirinden farklı olmasının yani genetik çeşitliliğin kaynakları şunlardır:

• Mayoz I'de homolog kromozomlar arasında parça değişimi (krossing over); aynı kromozomda yeni alel birleşimleri oluşur.
• Homolog çiftlerin mayoz I'de kutuplara bağımsız dağılması; insanda yalnızca bununla \(2^{23}\) (8 milyondan fazla) farklı kromozom birleşimli gamet oluşabilir.
• Döllenmede gametlerin rastgele birleşmesi.
• Üreme hücrelerinde oluşan mutasyonlar; yeni alellerin asıl kaynağı mutasyondur.