Genetika

DNR

Gyvi organizmai sudaryti iš milijonų mažyčių savarankiškų komponentų, vadinamų ląstelėmis. Kiekvienos ląstelės viduje yra ilgos ir sudėtingos molekulės, vadinamos dezoksiribonukleorūgštimi. DNR saugo informaciją, kuri nurodo ląstelėms, kaip sukurti tą gyvą būtybę. Šios informacijos dalys, nurodančios, kaip sukurti vieną nedidelę gyvos būtybės dalį ar savybę - raudonus plaukus, mėlynas akis ar polinkį būti aukštam - vadinamos genais.

Kiekviena tos pačios gyvosios būtybės ląstelė turi tą pačią DNR, tačiau kiekvienoje ląstelėje naudojama tik dalis jos. Pavyzdžiui, kai kurie genai, nurodantys, kaip gaminti kepenų dalis, smegenyse yra išjungti. Tai, kokie genai naudojami, laikui bėgant taip pat gali keistis. Pavyzdžiui, vaiko nėštumo pradžioje naudojama daug genų, kurie vėliau nenaudojami.

Žmogus turi dvi kiekvieno geno kopijas: vieną iš motinos ir vieną iš tėvo. Vieno geno gali būti keli tipai, kurie duoda skirtingus nurodymus: viena versija gali lemti, kad žmogaus akys bus mėlynos, kita - rudos. Šios skirtingos versijos vadinamos geno aleliais.

Kadangi gyva būtybė turi dvi kiekvieno geno kopijas, ji gali turėti du skirtingus jo alelius tuo pačiu metu. Dažnai vienas alelis būna dominuojantis, t. y. gyva būtybė atrodo ir elgiasi taip, tarsi turėtų tik tą vieną alelį. Neišreikštas alelis vadinamas recesyviuoju. Kitais atvejais susidaro kažkas tarp šių dviejų galimybių. Tokiu atveju abu aleliai vadinami ko-dominuojančiais.

Dauguma gyvų būtybių savybių, kurias galite pastebėti, turi daugybę genų, kurie daro joms įtaką. Ir daugelis genų turi daugialypį poveikį organizmui, nes jų funkcija ne kiekviename audinyje turės vienodą poveikį. Daugialypis vieno geno poveikis vadinamas pleiotropizmu. Visas genų rinkinys vadinamas genotipu, o bendras genų poveikis organizmui - fenotipu. Tai pagrindiniai genetikos terminai.

DNR molekulės modelis.

Genetikos istorija

Iki Mendelio idėjos

Žinome, kad žmogus pradėjo auginti naminius gyvūnus nuo ankstyvųjų laikų, tikriausiai dar prieš išrandant žemdirbystę. Nežinome, kada paveldimumas pirmą kartą buvo įvertintas kaip mokslinė problema. Graikai, o labiausiai Aristotelis, tyrinėjo gyvas būtybes ir siūlė idėjas apie dauginimąsi ir paveldimumą.

Bene svarbiausia idėja iki Mendelio buvo Čarlzo Darvino, kurio pangenezės idėją sudarė dvi dalys. Pirmoji, kad iš kartos į kartą perduodami patvarūs paveldimi vienetai, buvo visiškai teisinga. Antroji buvo jo idėja, kad jie papildomi "gemalais" iš somatinių (kūno) audinių. Tai buvo visiškai klaidinga ir šiandien moksle neturi jokios reikšmės. Darvinas buvo teisus dėl vieno dalyko: viskas, kas vyksta evoliucijos metu, turi vykti paveldėjimo būdu, todėl tikslus genetikos mokslas yra evoliucijos teorijos pagrindas. Šiam genetikos ir evoliucijos "poravimuisi" prireikė daugelio metų. Jo rezultatas - šiuolaikinė evoliucijos sintezė.

Mendelio genetika

Pagrindines genetikos taisykles pirmasis apie 1865 m. atrado vienuolis Gregoras Mendelis. Tūkstančius metų žmonės jau tyrinėjo, kaip bruožai paveldimi iš tėvų vaikams. Tačiau Mendelio darbas buvo kitoks, nes jis labai kruopščiai suplanavo savo eksperimentus.

Atlikdamas eksperimentus Mendelis tyrė, kaip požymiai perduodami žirnių augalams. Jis pradėjo kryžminti tikrus augalus ir skaičiavo požymius, kurie gamtoje buvo arba/arba (arba aukšti, arba trumpi). Jis veisė daug augalų ir rezultatus išreiškė skaičiais. Jis naudojo bandomuosius kryžminimus, kad atskleistų recesyvinių požymių buvimą ir proporcijas.

Mendelis savo eksperimento rezultatus paaiškino dviem mokslo dėsniais:

• 1. Faktoriai, vėliau pavadinti genais, įprastose kūno ląstelėse paprastai būna poromis, tačiau formuojantis lytinėms ląstelėms jie atsiskiria. Šie veiksniai lemia organizmo savybes ir yra paveldimi iš tėvų. Kai gametos susidaro mejozės būdu, abu veiksniai atsiskiria. Gambetei suteikiamas tik vienas arba kitas. Tai Mendelis pavadino segregacijos dėsniu.
• 2. Susidarant lytinėms ląstelėms skirtingų genų aleliai atsiskiria nepriklausomai vienas nuo kito. Tai jis vadina nepriklausomo asortimento dėsniu. Taigi Mendelis manė, kad skirtingi požymiai paveldimi nepriklausomai vienas nuo kito. Dabar žinome, kad tai tiesa tik tuo atveju, jei genai yra ne toje pačioje chromosomoje - tokiu atveju jie nėra tarpusavyje susiję.

Mendelio dėsniai padėjo paaiškinti rezultatus, kuriuos jis pastebėjo savo žirnių augaluose. Vėliau genetikai atrado, kad jo dėsniai galioja ir kitoms gyvoms būtybėms, net žmonėms. Mendelio darbo su sodo žirniais rezultatai padėjo sukurti genetikos mokslą. Jo indėlis neapsiribojo vien pagrindinėmis taisyklėmis, kurias jis atrado. Mendelio kruopštumas kontroliuojant eksperimento sąlygas ir dėmesys skaitiniams rezultatams nustatė būsimų eksperimentų standartą. Bėgant metams mokslininkai keitė ir tobulino Mendelio idėjas. Tačiau genetikos mokslas šiandien nebūtų įmanomas be ankstyvųjų Gregoro Mendelio darbų.

Tarp Mendelio ir šiuolaikinės genetikos

Per laikotarpį nuo Mendelio darbų iki 1900 m. buvo sukurti citologijos, t. y. ląstelių tyrimo, pagrindai. Atrasti faktai apie branduolį ir ląstelių dalijimąsi buvo labai svarbūs, kad Mendelio darbas būtų tinkamai suprastas.

1832: Barthélémy Dumortier pirmasis pastebėjo ląstelių dalijimąsi daugialąsčiame organizme.

1841, 1852: Robertas Remakas (1815-1865), žydų kilmės lenkų ir vokiečių fiziologas, pirmasis išdėstė ląstelės biologijos pagrindus: ląstelės yra tik iš kitų ląstelių. Vėliau tai išpopuliarino vokiečių gydytojas Rudolfas Virchovas (Rudolf Virchow, 1821-1902), pavartojęs garsiąją frazę omnis cellula e cellula, reiškiančią: visos ląstelės iš kitų ląstelių.

1865: Paskelbtas Gregoro Mendelio straipsnis "Augalų hibridizacijos eksperimentai".

1876: Vokiečių biologas Oskaras Hertvigas (1849-1922) pirmą kartą atrado ir aprašė mejozę jūrų ežių kiaušiniuose.

1878–1888: Waltheris Flemmingas ir Eduardas Strasburgeris aprašo chromosomų elgesį mitozės metu.

1883: 1888 m.: belgų zoologas Edouardas van Benedenas (1846-1910) aprašė mejozę chromosomų lygmenyje, naudodamas apvaliųjų kirmėlių (Ascaris) kiaušinėlius.

1883: Vokiečių zoologas Vilhelmas Rouksas (Wilhelm Roux, 1850-1924) suprato chromosomų linijinės struktūros svarbą. Jų padalijimas į dvi lygias išilgines dalis užtikrino, kad kiekviena dukterinė ląstelė gautų tą patį chromosomų komplektą. Todėl chromosomos buvo paveldimumo nešėjos.

1889: Olandų botanikas Hugo de Vriesas pasiūlo, kad "specifinių organizmų požymių paveldėjimas vyksta dalelėmis" ir pavadina jas (pan)genais.

1890: 1890 m. vokiečių biologas Augustas Weismannas (1834-1914) pastebėjo, kad norint vieną diploidinę ląstelę paversti keturiomis haploidinėmis ląstelėmis, jei reikia išlaikyti chromosomų skaičių, reikia dviejų ląstelių dalijimų.

1902–1904: Teodoras Boveris (1862-1915), vokiečių biologas, keliuose straipsniuose atkreipė dėmesį į chromosomų elgsenos ir Mendelio gautų rezultatų atitikimą. Jis teigė, kad chromosomos yra "nepriklausomi dariniai, kurie išlaiko savo nepriklausomybę net ir ramybės būsenoje esančiame branduolyje... Tai, kas išeina iš branduolio, yra tai, kas į jį patenka".

1903: Walteris Suttonas pasiūlė, kad chromosomos, kurios segreguojasi Mendelio būdu, yra paveldimi vienetai. Edmundas B. Vilsonas (Edmund B. Wilson, 1856-1939), Suttono mokytojas ir vieno garsiausių biologijos vadovėlių autorius, pavadino tai Suttono-Boverio hipoteze.

Tuo metu citologijos atradimai susijungė su iš naujo atrastomis Mendelio idėjomis ir susidarė sintezė, vadinama citogenetika (cyto = ląstelė; genetika = paveldimumas), kuri tęsiasi iki šių dienų.

Mendelio darbo atradimas iš naujo

1890-aisiais keletas biologų pradėjo atlikti veisimo eksperimentus ir netrukus Mendelio rezultatai buvo pakartoti, net prieš tai, kai jo darbai buvo perskaityti. Carlas Corrensas ir Hugo de Vriesas buvo pagrindiniai Mendelio raštų ir dėsnių atradėjai. Abu jie pripažino Mendelio pirmenybę, nors tikėtina, kad de Vriesas savo paties rezultatus suprato tik perskaitęs Mendelį. Nors iš pradžių Erichas von Tschermakas taip pat buvo laikomas atradėju iš naujo, dabar tai nebepripažįstama, nes jis nesuprato Mendelio dėsnių. Nors vėliau de Vriesas nustojo domėtis mendelizmu, kiti biologai genetiką pavertė mokslu.

Mendelio rezultatai buvo pakartoti, ir netrukus paaiškėjo genetinis ryšys. Viljamas Batesonas, ko gero, padarė daugiausia ankstyvuoju laikotarpiu, kad Mendelio teorija būtų paviešinta. Batesonas sukūrė žodį "genetika" ir kitus terminus.

Vėliau dėl Mendelio eksperimentų rezultatų kilo diskusijų. Fišeris išanalizavo F2 (antrosios atžalos) santykio rezultatus ir nustatė, kad jie neįtikėtinai artimi tiksliam santykiui 3:1. Kartais manoma, kad Mendelis galėjo cenzūruoti savo rezultatus ir kad kiekvienas iš jo septynių požymių pasireiškia atskiroje chromosomų poroje, o tai labai mažai tikėtina, jei jie būtų parinkti atsitiktinai. Iš tikrųjų Mendelio tirti genai buvo tik keturiose ryšio grupėse, ir tik viena genų pora (iš 21 galimos) yra pakankamai artima, kad parodytų nukrypimą nuo nepriklausomo asortimento; tai ne ta pora, kurią tyrė Mendelis.

Gregoras Mendelis, šiuolaikinės genetikos tėvas.

Genetikos priemonės

Mutacijos

Vykstant DNR replikacijos procesui kartais pasitaiko klaidų. Šios klaidos, vadinamos mutacijomis, gali turėti įtakos organizmo fenotipui. Savo ruožtu tai paprastai turi įtakos organizmo tinkamumui, jo gebėjimui sėkmingai gyventi ir daugintis.

Dėl DNR polimerazių "korektūros" gebėjimo klaidos paprastai būna labai mažos - 1 klaida kas 10-100 milijonų bazių. Daugelyje virusų klaidų skaičius yra tūkstančius kartų didesnis. Kadangi jie remiasi DNR ir RNR polimerazėmis, kurios neturi korektūros gebėjimo, mutacijų dažnis yra didesnis.

Procesai, didinantys DNR pokyčių greitį, vadinami mutageniniais. Mutageninės cheminės medžiagos didina DNR replikacijos klaidų skaičių, dažnai pažeisdamos bazių porų struktūrą, o UV spinduliuotė sukelia mutacijas, pažeisdama DNR struktūrą. Cheminė DNR žala atsiranda ir natūraliai, o ląstelės naudoja DNR taisymo mechanizmus, kad ištaisytų DNR nesutapimus ir lūžius - nepaisant to, taisymo metu kartais nepavyksta grąžinti DNR į pradinę seką.

Organizmuose, kurie naudoja chromosomų kryžminimą, kad apsikeistų DNR ir rekombinuotų genus, mejozės metu padarytos suderinimo klaidos taip pat gali sukelti mutacijas. Kryžminimo klaidos ypač tikėtinos, kai dėl panašių sekų partnerių chromosomos klaidingai sutampa; dėl to kai kurios genomų sritys yra labiau linkusios mutuoti. Dėl šių klaidų atsiranda dideli DNR sekos struktūriniai pokyčiai - dubliacijos, ištisų regionų inversijos ar išbraukimai arba atsitiktinis ištisų dalių apsikeitimas tarp skirtingų chromosomų (vadinamas translokacija).

Punneto kvadratai

Reginaldo Punnetto sukurti Punnetto kvadratai naudojami biologų siekiant nustatyti palikuonių, turinčių tam tikrą genotipą, tikimybę.

		Motinos
		B	b
Tėvo	B	BB	Bb
	b	Bb	bb

Jei B reiškia juodų plaukų alelį, o b - baltų plaukų alelį, dviejų tėvų Bb palikuonys turės 25 % tikimybę turėti du baltų plaukų alelius (bb), 50 % - po vieną (Bb) ir 25 % - tik juodų plaukų alelį (BB).

Kilmės schema

Genetikai (biologai, tiriantys genetiką) naudoja genealogines diagramas, kad užfiksuotų šeimos narių bruožus. Naudodamiesi šiomis lentelėmis genetikai gali ištirti, kaip požymis paveldimas iš žmogaus į žmogų.

Genetikai taip pat gali naudoti genealogines diagramas, kad numatytų, kaip požymiai bus perduodami būsimiems šeimos vaikams. Pavyzdžiui, genetikos konsultantai yra specialistai, dirbantys su šeimomis, kurios gali sirgti genetinėmis ligomis. Atlikdami savo darbą jie sudaro šeimos genealogines diagramas, kurios gali būti naudojamos tiriant, kaip liga gali būti paveldima.

Dvynių tyrimai

Kadangi žmonės nėra veisiami eksperimentiniu būdu, žmogaus genetika turi būti tiriama kitais būdais. Vienas iš naujausių būdų - žmogaus genomo tyrimas. Kitas, daug metų senesnis būdas - tirti dvynius. Identiški dvyniai yra natūralūs klonai. Jie nešiojasi tuos pačius genus, todėl juos galima naudoti tiriant, kiek paveldimumas lemia atskirus žmones. Tyrimai su dvyniais buvo gana įdomūs. Jei sudarytume būdingų bruožų sąrašą, pamatytume, kad jie skiriasi pagal tai, kiek priklauso nuo paveldimumo. Pavyzdžiui:

• Akių spalva: visiškai paveldima
• Svoris, ūgis: iš dalies paveldimas, iš dalies aplinkos
• Kokia kalba žmogus kalba: tik aplinkos kalba.

Tyrimai atliekami taip. Paimkite identiškų dvynių grupę ir broliškų dvynių grupę. Išmatuokite jiems įvairius požymius. Atliekama statistinė analizė (pvz., dispersinė analizė). Tai parodo, kokiu mastu bruožas yra paveldimas. Tie bruožai, kurie yra iš dalies paveldimi, bus žymiai panašesni tarp identiškų dvynių. Tokius tyrimus galima tęsti toliau, lyginant kartu augusius identiškus dvynius su identiškais dvyniais, augusiais skirtingomis aplinkybėmis. Taip galima nustatyti, kiek aplinkybės gali pakeisti genetiškai identiškų žmonių rezultatus.

Pirmasis dvynių tyrimus atliko Francis Galtonas, Darvino pusbrolis, kuris buvo statistikos pradininkas. Jo metodas buvo stebėti dvynių gyvenimo kelią ir atlikti daugybę matavimų. Deja, nors ir žinojo apie vienalyčius ir dvynius dvynius, jis neįvertino tikrojo genetinio skirtumo. Šiuolaikiniai dvynių tyrimai atsirado tik XX a. trečiajame dešimtmetyje.

Genų dubliavimas leidžia diversifikuotis, nes yra perteklinis: vienas genas gali mutuoti ir prarasti savo pirminę funkciją nepakenkdamas organizmui.


Kilmės schemos pavyzdys.

Prokariotų ir virusų genetika

Bakterijų, archėjų ir virusų genetika yra svarbi mokslinių tyrimų sritis. Bakterijos dažniausiai dalijasi aseksualiai, bet turi tam tikrą lytį - horizontalų genų perdavimą. Bakterijų konjugacija, transdukcija ir transformacija yra jų metodai. Be to, dabar žinoma visa daugelio bakterijų, archėjų ir virusų DNR seka.

Nors daugeliui bakterijų, pavyzdžiui, Staphylococcus aureus, buvo suteikti bendriniai ir specifiniai pavadinimai, visa rūšies idėja yra gana beprasmė organizmui, kuris neturi lyties ir chromosomų kryžminimo. Vietoj to šie organizmai turi padermes, ir būtent taip jie identifikuojami laboratorijoje.

Genai ir vystymasis

Genų raiška

Genų raiška - tai procesas, kurio metu paveldima informacija, esanti genuose, t. y. DNR bazių porų seka, paverčiama funkciniu geno produktu, pavyzdžiui, baltymu arba RNR. Pagrindinė idėja yra ta, kad DNR transkribuojama į RNR, kuri vėliau verčiama į baltymus. Baltymai sudaro daugelį ląstelės ar organizmo struktūrų ir visus fermentus.

Gali būti moduliuojami (derinami) keli genų raiškos proceso etapai. Tai apima ir transkripciją, ir  transliaciją, ir galutinę sulankstyto baltymo būseną. Genų reguliavimas įjungia ir išjungia genus ir taip valdo ląstelių diferenciaciją ir morfogenezę. Genų reguliavimas taip pat gali būti evoliucinių pokyčių pagrindas: genų raiškos laiko, vietos ir kiekio kontrolė gali turėti didelę įtaką organizmo raidai. Skirtinguose audiniuose geno raiška gali labai skirtis. Tai vadinama pleiotropizmu - genetikoje plačiai paplitusiu reiškiniu.

Alternatyvusis splaisingas yra labai svarbus šiuolaikinis atradimas. Tai procesas, kurio metu iš vieno geno galima sudaryti daugybę baltymų variantų. Vienas konkretus Drosophila genas (DSCAM) gali būti alternatyviai suskaidytas į 38 000 skirtingų mRNA.

Epigenetika ir vystymosi kontrolė

Epigenetika - tai genų aktyvumo pokyčių, kurių nesukelia DNR sekos pokyčiai, tyrimas. Tai genų raiškos, t. y. to, kaip genai sukelia fenotipinį poveikį, tyrimas.

Šie genų aktyvumo pokyčiai gali išlikti visą likusį ląstelės gyvenimą, taip pat gali išlikti daugelyje ląstelių kartų, vykstant ląstelių dalijimuisi. Tačiau pagrindinė organizmo DNR seka nepasikeičia. Vietoj to nepaveldimi veiksniai verčia organizmo genus elgtis (reikštis) kitaip.

Hox genai - tai genų kompleksas, kurio baltymai jungiasi prie tikslinių genų reguliacinių sričių. Tada tiksliniai genai aktyvuoja arba slopina ląstelės procesus ir taip lemia galutinį organizmo vystymąsi.

Ekstranuklearinis paveldėjimas

Kai kurios paveldimumo rūšys vyksta už ląstelės branduolio ribų. Įprastai paveldima iš abiejų tėvų per apvaisintos kiaušialąstės branduolyje esančias chromosomas. Yra ir kitokių paveldėjimo rūšių.

Organelės paveldimumas

Mitochondrijos ir chloroplastai turi savo DNR. Jų sudėtį lemia chromosomose esantys genai ir organelėse esantys genai. Karlas Korensas 1908 m. atrado tokį pavyzdį. Keturių valandų augalo Mirabilis jalapa lapai gali būti balti, žali arba įvairiaspalviai. Korensas atrado, kad žiedadulkės neturi jokios įtakos šiam paveldėjimui. Spalvą lemia chloroplastuose esantys genai.

Infekcinis paveldimumas

Tai sukelia simbiotiniai arba parazitiniai santykiai su mikroorganizmu.

Motinos poveikis

Šiuo atveju transkribuojami moteriškosios lytinės ląstelės branduoliniai genai. Produktai kaupiasi kiaušialąstės citoplazmoje ir turi įtakos ankstyvajam apvaisinto kiaušinėlio vystymuisi. Sraigės Limnaea peregra vyniojimasis yra nulemtas tokiu būdu. Dešiniosios kriauklės yra genotipo Dd arba dd, o kairiosios - dd.

Svarbiausias motinos poveikio pavyzdys yra Drosophila melanogaster. Baltyminiai motinos poveikio genų produktai aktyvina kitus genus, kurie savo ruožtu aktyvina dar daugiau genų. Šis darbas 1995 m. pelnė Nobelio fiziologijos ar medicinos premiją.

Šiuolaikinės genetikos aspektai

Daugelyje šiuolaikinių tyrimų naudojama genetikos, ląstelių biologijos ir molekulinės biologijos derinys. Nobelio premijos chemijos arba fiziologijos srityje buvo įteiktos šioms temoms:

• Alternatyvus suskaidymas, kai vienas genas koduoja įvairius susijusius baltyminius produktus.
• Genomika - genomų sekos ir jų funkcijų bei struktūros analizė.
• Genų inžinerija - organizmo genomo keitimas naudojant biotechnologijas.
• Mobilieji genetiniai elementai - DNR tipai, kurie gali keisti savo vietą genome.
• Horizontalusis genų perdavimas, kai organizmas gauna genetinę medžiagą iš kito organizmo, nebūdamas to organizmo palikuonis.

Žmogaus elgesio genetika

Daugelis gerai žinomų žmogaus elgesio sutrikimų turi genetinį komponentą. Tai reiškia, kad jų paveldėjimas iš dalies lemia elgesį arba didina tikimybę, kad problema pasireikš. Pavyzdžiai:

• Autizmas
• ADHD (dėmesio sutrikimas)
• Narkotikų vartojimas ir piktnaudžiavimas jais
• Rizikos prisiėmimas
• Šizofrenija

Be to, normaliam elgesiui didelę įtaką daro ir paveldimumas:

• Mokymosi ir pažinimo gebėjimai
• Asmenybė

·          

·          

Susiję puslapiai

• ENCODE: išsami žmogaus genomo analizė
• Genų terapija