Dihybridi-risteytyksen Ratkaisin: Genetiikan Punnett-neliön Laskuri

Mikä on dihybridiristeytyksen laskuri?

Dihybridiristeytyksen laskuri ennustaa jälkeläisten genotyypit ja fenotyypit kahdelle geenille kerrallaan. Se muodostaa Punnettin neliön vanhempien genotyyppien perusteella ja näyttää tuloksena syntyvien ominaisuuksien suhteen. Biologian opiskelijat, opettajat ja jalostajat käyttävät sitä dihybridiristeytystehtävien tarkistamiseen ilman, että ruudukkoa tarvitsee piirtää käsin.

Mikä on dihybridiristeytys?

Dihybridiristeytyksessä seurataan, miten kaksi geeniä siirtyy vanhemmilta jälkeläisille samanaikaisesti. Gregor Mendel selvitti tämän ensimmäisenä 1860-luvulla risteyttäessään hernekasveja, jotka erosivat toisistaan siemenen muodon ja värin suhteen.

Muutama termi auttaa ymmärtämään, miten se toimii.

• Alleeli: geenin yksi muoto. Iso kirjain (A, B) merkitsee vallitsevaa alleelia. Pieni kirjain (a, b) merkitsee peittyvää alleelia.
• Genotyyppi: eliön geneettinen rakenne, joka kirjoitetaan kirjainyhdistelmänä, kuten AaBb.
• Fenotyyppi: ominaisuus, jonka eliö tosiasiassa ilmentää. Vallitseva alleeli peittää peittyvän alleelin, joten AA ja Aa näyttävät samanlaisilta.
• Homotsygoottinen: geenin molemmat alleelit ovat samanlaiset (AA tai aa).
• Heterotsygoottinen: geenin kaksi alleelia ovat erilaiset (Aa).

Dihybridiristeytyksen laskeminen

Dihybridiristeytys perustuu riippumattomaan lajittumiseen: sukusolujen muodostuessa yhden geenin alleelit erkanevat toisistaan riippumatta toisen geenin alleeleista. Tämän ansiosta kummankin vanhemman alleelit voivat yhdistyä vapaasti.

1. Kirjoita kummankin vanhemman genotyyppi, esimerkiksi AaBb.
2. Luettele sukusolut. Punnettin neliömenetelmä antaa kummallekin vanhemmalle neljä sukusolupaikkaa, yhden jokaista geenin 1 alleelin ja geenin 2 alleelin paria varten. Molempien geenien suhteen heterotsygoottinen vanhempi (AaBb) täyttää paikat neljällä erilaisella sukusolulla: AB, Ab, aB, ab. Molempien geenien suhteen homotsygoottinen vanhempi (AABB) täyttää ne saman sukusolun neljällä kopiolla: AB, AB, AB, AB.
3. Muodosta 4×4 Punnettin neliö. Sijoita toisen vanhemman neljä sukusolua yläreunaan ja toisen neljä sukusolua sivulle, ja täydennä sitten jokainen 16 solu yhdistetyllä genotyypillä.
4. Laske fenotyypit. Ryhmittele 16 jälkeläiset niiden ilmentämien ominaisuuksien mukaan ja muuta sitten kukin ryhmä luvun 16 murto-osaksi.

Kahdella heterotsygoottisella vanhemmalla (AaBb × AaBb) saadaan klassinen fenotyyppisuhde:

• 9/16 ilmentää molemmat vallitsevat ominaisuudet (A_B_)
• 3/16 ilmentää vallitsevan ominaisuuden 1 ja peittyvän ominaisuuden 2 (A_bb)
• 3/16 ilmentää peittyvän ominaisuuden 1 ja vallitsevan ominaisuuden 2 (aaB_)
• 1/16 ilmentää molemmat peittyvät ominaisuudet (aabb)

Alaviiva tarkoittaa ”kumpaa tahansa alleelia”, koska se ei muuta fenotyyppiä.

Tämä 9:3:3:1-suhde on myös kahden erillisen 3:1-suhteen tulo: 3/4 × 3/4 = 9/16 molemmille vallitseville ominaisuuksille, 3/4 × 1/4 = 3/16 kummallekin yhden ominaisuuden vallitsevalle yhdistelmälle ja 1/4 × 1/4 = 1/16 molemmille peittyville ominaisuuksille.

Esimerkki 1: heterotsygoottinen × heterotsygoottinen (AaBb × AaBb)

Molemmat vanhemmat tuottavat neljä sukusolutyyppiä: AB, Ab, aB, ab.

Fenotyyppisuhde:

• A_B_ (molemmat vallitsevia): 9/16 (56,25 %)
• A_bb (vallitseva 1, peittyvä 2): 3/16 (18,75 %)
• aaB_ (peittyvä 1, vallitseva 2): 3/16 (18,75 %)
• aabb (molemmat peittyviä): 1/16 (6,25 %)

Esimerkki 2: homotsygoottinen vallitseva × homotsygoottinen peittyvä (AABB × aabb)

Kumpikin vanhempi on homotsygoottinen, joten kumpikin tuottaa vain yhden erillisen sukusolun: vanhemmalla 1 AB ja vanhemmalla 2 ab. Koska laskuri luettelee aina neljä sukusolua vanhempaa kohden, sama sukusolu toistetaan neljä kertaa: AB, AB, AB, AB ja ab, ab, ab, ab. Punnettin neliö on silti 4×4-ruudukko, jossa on 16 solua, mutta jokaisessa solussa on sama genotyyppi.

Kaikki jälkeläiset ovat genotyypiltään AaBb ja ilmentävät molemmat vallitsevat ominaisuudet.

Fenotyyppisuhde:

• A_B_ (molemmat vallitsevia): 16/16 (100,00 %)

Esimerkki 3: heterotsygoottinen × homotsygoottinen vallitseva (AaBb × AABB)

Vanhempi 1 (AaBb) tuottaa neljä erilaista sukusolua: AB, Ab, aB, ab. Vanhempi 2 (AABB) on homotsygoottinen, joten sen ainoa sukusolutyyppi AB toistetaan neljä kertaa: AB, AB, AB, AB. Tuloksena on edelleen 4×4-ruudukko, jossa on 16 solua. Vanhemman 1 neljä sukusolua yhdistetään AB:hen neljä kertaa kukin, joten jokainen rivi toistuu kaikissa neljässä sarakkeessa.

Neljä erilaista genotyyppiä esiintyy, kukin 4:ssa 16 solusta: AABB, AABb, AaBB ja AaBb. Jokaisella niistä on vähintään yksi vallitseva alleeli kummassakin geenissä, joten kaikki jälkeläiset ilmentävät molemmat vallitsevat ominaisuudet.

Fenotyyppisuhde:

• A_B_ (molemmat vallitsevia): 16/16 (100,00 %)

Laskurin käyttö

1. Syötä kummankin vanhemman genotyyppi muodossa AaBb: isot kirjaimet vallitseville alleeleille ja pienet kirjaimet peittyville alleeleille; ensimmäinen pari koskee geeniä 1 ja toinen pari geeniä 2.
2. Laskuri tarkistaa neljä asiaa. Kunkin genotyypin on koostuttava täsmälleen neljästä kirjaimesta. Parin kahden kirjaimen on oltava samaa geenikirjainta, joten Aa hyväksytään mutta Ab:tä ei. Yhden genotyypin kahden geenin on oltava eri kirjaimia, joten AaAa hylätään. Kummankin vanhemman on ilmoitettava samat kaksi geeniä.
3. Kaksi geeniä voidaan kirjoittaa kummassa järjestyksessä tahansa. BbAa tulkitaan samaksi genotyypiksi kuin AaBb, joten AaBb × BbAa on sama risteytys kuin AaBb × AaBb.
4. Neliö ja suhde päivittyvät kirjoittamisen aikana. Painiketta ei tarvitse painaa.
5. Suhde ilmoitetaan ominaisuuden, ei kirjaimen, perusteella. ”Vallitseva ominaisuus 1” tarkoittaa, että geeni 1 ilmentää vallitsevaa muotoaan (A_), ja ”Peittyvä ominaisuus 2” tarkoittaa, että geeni 2 ilmentää peittyvää muotoaan (bb). Risteytykselle AaBb × AaBb työkalu tulostaa ”Vallitseva ominaisuus 1, vallitseva ominaisuus 2: 9/16 (56,25 %)”.
6. Tallenna ruudukko ja suhde tekstinä kopiointipainikkeella tai palaa oletusristeytykseen AaBb × AaBb palautuspainikkeella.

Dihybridiristeytyksen laskennan käyttötarkoitukset

Biologian kursseilla dihybridiristeytyksiä käytetään todennäköisyyden ja Mendelin periytymisen opettamiseen. Kasvien ja eläinten jalostajat käyttävät samaa matematiikkaa ennustaakseen, millaisia ominaisuusyhdistelmiä jälkeläisissä ilmenee ennen varsinaisen risteytyksen tekemistä. Perinnöllisyysneuvojat käyttävät taustalla olevaa riippumattoman lajittumisen periaatetta selittäessään kahden toisiinsa liittymättömän sairauden periytymisriskiä. Tutkijat käyttävät sitä määrittäessään odotettuja suhteita ennen niiden vertaamista koeaineistoon.

Punnettin neliö on yksi useista tavoista ratkaista sama ongelma. Todennäköisyyslaskennassa kunkin ominaisuuden todennäköisyydet kerrotaan erikseen, esimerkiksi 3/4 × 3/4 = 9/16 kahdelle vallitsevalle ominaisuudelle risteytyksessä AaBb × AaBb. Haarautuva kaavio eli haaraviivamenetelmä tuottaa samat luvut seuraamalla kummankin geenin lopputuloksia erillisinä haaroina. Kaikki kolme menetelmää perustuvat samaan riippumattoman lajittumisen sääntöön ja antavat samat suhteet, kun kaksi geeniä sijaitsee eri kromosomeissa.

Todellinen periytyminen poikkeaa joskus tästä mallista. Samassa kromosomissa lähellä toisiaan sijaitsevat geenit periytyvät yhdessä useammin kuin riippumaton lajittuminen ennustaa; tätä ilmiötä kutsutaan kytkeytymiseksi. Jotkin geeniparit vaikuttavat toisiinsa niin, että toinen geeni peittää toisen vaikutuksen; tätä kutsutaan epistasiaksi. Tämä laskuri olettaa kaksi kytkeytymätöntä geeniä ja täydellisen vallitsevuuden, mikä on oppikirjoissa käytetty perustapaus.

Historia

Augustinolaismunkki Gregor Mendel teki ensimmäiset dokumentoidut dihybridiristeytyskokeet hernekasveilla 1860-luvulla ja seurasi samanaikaisesti siemenen muotoa ja väriä. Hänen 1866 julkaistussa tutkielmassaan kuvattiin tuloksena saatu 9:3:3:1-suhde, ja se johti nykyisin riippumattoman lajittumisen laiksi kutsutun periaatteen muotoiluun. Mendelin työ jäi suurelta osin huomaamatta vuoteen 1900 asti, jolloin Hugo de Vries, Carl Correns ja Erich von Tschermak löysivät samat ilmiöt toisistaan riippumatta uudelleen ja käynnistivät modernin genetiikan. Thomas Hunt Morganin myöhemmät hedelmäkärpäsillä tehdyt kokeet osoittivat, etteivät samassa kromosomissa sijaitsevat geenit aina lajitukaan toisistaan riippumatta, mikä paljasti geneettisen kytkeytymisen poikkeukseksi.

Usein kysyttyä

Mikä on dihybridiristeytys? Dihybridiristeytys on kahden eliön välinen risteytys, jossa seurataan kahta geeniä samanaikaisesti. Kahden kaksoisheterotsygootin (AaBb × AaBb) risteytyksessä jälkeläisten fenotyyppisuhteeksi saadaan 9:3:3:1, kun molemmissa geeneissä ilmenee täydellinen vallitsevuus.

Miksi suhde on 9:3:3:1? Se syntyy yhdistämällä kaksi toisistaan riippumatonta 3:1-suhdetta, yksi kummallekin geenille: 3/4 × 3/4 = 9/16 molemmille vallitseville ominaisuuksille, 3/4 × 1/4 = 3/16 kummallekin yhden ominaisuuden vallitsevalle yhdistelmälle ja 1/4 × 1/4 = 1/16 molemmille peittyville ominaisuuksille.

Mikä ero on genotyypillä ja fenotyypillä? Genotyyppi on joukko alleeleja, joita eliö kantaa, kuten AaBb. Fenotyyppi on ominaisuus, jonka genotyyppi tuottaa, esimerkiksi molempien ominaisuuksien vallitsevan muodon ilmentyminen.

Tuottaako dihybridiristeytys aina neljä erilaista sukusolua vanhempaa kohden? Punnettin neliömenetelmässä vanhemmalle varataan aina neljä sukusolupaikkaa. Heterotsygoottisen vanhemman neljä sukusolua ovat todella erilaisia (AB, Ab, aB, ab). Homotsygoottisen vanhemman neljä sukusolua ovat yhden tyypin identtisiä kopioita (esimerkiksi AB, AB, AB, AB), minkä vuoksi homotsygoottiset risteytykset pelkistyvät yhdeksi toistuvaksi genotyypiksi, vaikka ruudukossa on edelleen 16 solua.

Voiko tämä laskuri käsitellä kytkeytyneitä geenejä tai kodominanssia? Ei. Se olettaa, että kaksi geeniä sijaitsee eri kromosomeissa ja lajittuu toisistaan riippumatta ja että kummassakin geenissä ilmenee täydellinen vallitsevuus. Kytkeytyneet geenit sekä yhteisvallitsevat tai epätäydellisesti vallitsevat alleelit tuottavat erilaiset suhteet kuin ne, jotka tämä työkalu laskee.

Toimiiko tämä ihmisen ominaisuuksiin? Sama matematiikka pätee kaikkiin kahden geenin tapauksiin, joissa periytyminen noudattaa yksinkertaista vallitseva–peittyvä-mallia, mukaan lukien jotkin ihmisen ominaisuudet. Useimpiin ihmisen ominaisuuksiin vaikuttaa kuitenkin useampi kuin yksi geeni tai ympäristö, joten tämä yksinkertainen malli ei kuvaa niitä tarkasti.

Viitteet

1. Klug, W. S., Cummings, M. R., Spencer, C. A. ja Palladino, M. A. (2019). Concepts of Genetics (12. laitos). Pearson.
2. Pierce, B. A. (2017). Genetics: A Conceptual Approach (6. laitos). W. H. Freeman.
3. Mendel, G. (1866). ”Experiments on Plant Hybridization.” Proceedings of the Natural History Society of Brünn.
4. National Human Genome Research Institute. ”Dihybrid Cross.” genome.gov/genetics-glossary/Dihybrid-Cross