1

GENETYKA

Cykl wykładów 1

dr hab. Maria Wedzony 2007

1. Historia genetyki

2. Budowa i replikacja DNA

3. Niektóre aspekty podziałów komórkowych

2

Od niepamiętnych czasów obserwowano

podobieństwo potomstwa do rodziców.

Człowiek rodzi człowieka…
Kot rodzi kota…

3

Ale dlaczego dzieci nie są identyczne z rodzicami?
Jak to się dzieje, że kobieta rodzi także chłopców?
Skąd u dzieci pojawiają się cechy nieobecne u żadnego z rodziców?

4

Jaka jest rola
osobnika
męskiego w
rozmnażaniu, w
przekazywaniu
cech na
potomstwo?

5

Jeszcze więcej problemów
nastręczały organizmy niższe:
Aż do XIX wieku powszechne
było przekonanie, że muchy
rodzą się z brudu, a żaby z
błota. Dopiero wykrycie
mikroskopu podważyło te
teorie.

6

Zanim zrozumiano na czym
polega dziedziczenie cech
już wykorzystywano reguły
dziedziczenia w praktyce:
w hodowli roślin i zwierząt.
Krzyżując zwierzęta o
określonych cechach i
blisko spokrewnione
otrzymano rasy hodowlane
zwierząt domowych i
odmiany roślin uprawnych.
Hodowcy posługiwali się
intuicją i obserwacją.

7

Gregor Johann Mendel: ur. 20 lipca 1822 w Hynczycach koło
Nowego Jiczyna, wówczas Cesarstwo Austro-W

ę

gierskie – zm. 6

stycznia w Brnie Morawskim, Cesarstwo A-W)
Aagustianin, prekursor genetyki.

Klasztor w Brnie na Morawach

Grzegorz Mendel

8

Grzegorz Mendel

W 1866 roku opublikował pracę o

dziedziczeniu niektórych cech grochu

zawierającą do dziś obowiązujące

fundamentalne prawa genetyki. Nie on

pierwszy badał dziedziczenie. Jak mu się

udało?

•Znał dobrze matematykę, a w tym – statystykę

=> pracował z dużymi grupami osobników (po

kilka tysięcy w jednej próbie)
•Krzyżowania rozpoczynał dopiero wtedy, gdy

był pewien, że materiał wykazuje te same cechy

przez kilka pokoleń.
•Biologia kwitnienia grochu sprzyjała

doświadczeniom.
•Potomstwo krzyżowań badał przez kilka

pokoleń prowadząc bardzo staranne obliczenia.
•Kiedy badał dziedziczenie wybranych cech nie

zwracał uwagi na pozostałe cechy organizmu.

9

Element szczęścia:
•

Wybrał łatwe do zaobserwowania cechy, determinowane jednogenowo i każda o

dwóch allelach o prostych stosunkach dominacji.

•

Wybrał cechy determinowane genami leżącymi na różnych chromosomach.

Mikroskop z czasów Mendla i projekt oran

ż

erii na dziedzi

ń

cu klasztoru w Brnie,

autorstwa Mendla, cz

ęś

ciowo zrealizowany kiedy był przeorem.

10

Z tego względu pod

koniec życia Mendel

zaczął badać wiesiołek

Oenothera biennis

.

Badania te

doprowadziły go do

głębokiej depresji, gdyż

żadne z wcześniej

odkrytych praw się nie

sprawdzało!

Współcześni nie zrozumieli teorii Mendla i nie uwierzyli w jego
obliczenia – biolodzy w tamtych czasach przeważnie nie znali
matematyki na wystarczającym poziomie by przemówiły do nich
matematyczne argumenty. Zarzucano mu ponadto, że wszystkie
badania przeprowadził na jednej roślinie, więc jego prawa nie mogą
mieć charakteru uniwersalnego.

11

Dziś wiemy że:
Wiesiołek ma szereg translokacji w

swoich chromosomach i koniugują

one wszystkie w kształcie pierścienia

– nie ma niezależnego dziedziczenia

cech.

Obok: Hugo de Vries wraz z kolegami

oglądają rośliny wiesiołka w ogrodzie

botanicznym: początek XX wieku –

już wiedzą, dlaczego Mendlowi nie

udało się potwierdzić teorii na tej

roślinie.

Z lewej: Koniugacja u
wiesiołka. Chromosomy
rodzicielskie w mejozie tworz

ą

poliwalent w kształcie
pier

ś

cienia. Chromosomy

ka

ż

dego rodzica zawsze

rozchodz

ą

si

ę

do tego samego

bieguna: brak niezale

ż

nej

segregacji chromosomów, a
wi

ę

c i genów na nich

zlokalizowanych.

12

Kalendarium odkry

ć

dotycz

ą

cych dziedziczenia

Morgan i jego
grupa (Nobel w
1933 r.)

Geny

le

żą

linearnie na chromosomach

Mutacje

s

ą

zmianami fizycznymi w genach

Rekombinacje

genów zachodz

ą

w mejozie

1913
1927
1931

De Vries
Tschermack
Correns

Boveri

Sutton

Johansen

Oficjalne przyj

ę

cie praw Mendla

Teoria mutacji (de Vries)

Chromosomy s

ą

dziedziczone

Johansen – termin „gen”

Geny le

żą

na chromosomach

1900
1901

1903
1909
1910

Mendel

Jednostki dziedziczenia maj

ą

podło

ż

e materialne

1865

13

Avery
McLeod
MacCarty

Ostateczne potwierdzenie,

ż

e DNA jest materiałem

genetycznym

1944

Beadle
Tatum

Mutacje pokarmowe u Neurospora crassa:
teoria 1 gen = 1 enzym

1941

Casperson

Chromosomy zawieraj

ą

DNA

1936

Griffith

Hipoteza,

ż

e cechy dziedziczne zwi

ą

zane s

ą

z DNA –

transformacja bakterii Diplococcus

1928

Miescher

Wyodr

ę

bnienie kwasów nukleinowych ze spermy

łososia

1869

Kalendarium odkry

ć

dotycz

ą

cych dziedziczenia c.d.

14

Watson i
Crick

Model przestrzenny budowy DNA (Nobel 1962 r.)

1953

Chargraff

Adenina i tymina, oraz Cytozyna i Guanina
wyst

ę

puj

ą

w DNA zawsze w tych samych ilo

ś

ciach,

za to proporcje A-T i C-G s

ą

charakterystyczne dla

gatunku

1953

Hershey i

Chase

Podczas infekcji komórki bakteryjnej przez
bakteriofaga do wn

ę

trza wnika wył

ą

cznie DNA

1952

Rosalinda
Franklin

Zdj

ę

cia rentgenowskie krystalicznego DNA:

prawdopodobnie spirala?

1944

Kalendarium odkry

ć

dotycz

ą

cych dziedziczenia c.d.

15

Co dzisiaj wiemy o DNA

DNA jest polimerem, który

swoje wła

ś

ciwo

ś

ci

zawdzi

ę

cza

specyficznej budowie
zasad, z których jest
zbudowany.

Specyficzna lokalna

konfiguracja
nukleotydów sprawia,

ż

e podwójna helisa nie

jest tak regularna w
budowie jak wyobra

ż

ali

sobie Watson i Crick.

16

W dwuniciowym DNA
pomi

ę

dzy adenin

ą

i tymina

oraz pomi

ę

dzy guanin

ą

i

cytozyn

ą

tworz

ą

si

ę

wi

ą

zania wodorowe

.

17

Z jednej strony ła

ń

cucha wolnym

miejscem do wi

ą

zania chemicznego

jest w

ę

giel 5’ pier

ś

cienia rybozy, a na

drugim ko

ń

cu ła

ń

cucha jest to w

ę

giel

3’. Odpowiednio ko

ń

ce pojedynczego

ła

ń

cucha DNA nazywamy 5’ i 3’

P

P

Zasada

pirymidyno

wa

Zasada

purynowa

Fosforan

rybozy

18

REPLIKACJA DNA

Aby mogła zaj

ść

replikacja podwójna helisa musi by

ć

rozpleciona za pomoc

ą

helikazy DNA.

Do rozł

ą

czaj

ą

cego si

ę

miejsca przył

ą

czaj

ą

si

ę

białka destabilizuj

ą

ce

heliks (single strand binding proteins)

i umo

ż

liwiaj

ą

rozpocz

ę

cie replikacji.

Tylko jedna ni

ć

(

ni

ć

prowadz

ą

ca – leading strand

) syntetyzowana jest w sposób

ci

ą

gły przez

polimeraz

ę

DNA

. Druga (

ni

ć

opó

ź

niona – lagging strand

) syntetyzowana

jest we fragmentach 100-1000 nukleotydów (

fragmenty Okazaki

), które sklejane s

ą

przez

ligaz

ę

DNA

.

Napi

ę

cia powstaj

ą

ce w nici na skutek rozplatania likwiduj

ą

topoizomerazy

rozcinaj

ą

c co jaki

ś

czas obie nici helisy umo

ż

liwiaj

ą

c im rozkr

ę

cenie si

ę

, a

nast

ę

pnie ł

ą

cz

ą

c precyzyjnie rozci

ę

te ko

ń

ce

.

19

DNA syntetyzowany jest zawsze w kierunku od 5' do 3‘. Do rozpocz

ę

cia

syntezy DNA potrzebny jest krótki fragment RNA zwany starterem
(primerem) syntetyzowanym przez kompleks białkowy nazywany
primeosomem (replisomem).

Polimeraza DNA dobudowuje nowe nukleotydy do ko

ń

ca 3’

starterowego RNA. Startery przył

ą

czaj

ą

si

ę

do macierzystej nici DNA w

ś

ci

ś

le okre

ś

lonych miejscach nazywanych „miejscami rozpocz

ę

cia

replikacji” z angielskiego ORI. Po spełnieniu swojej roli starterowy RNA
zostaje wyci

ę

ty i rozło

ż

ony.

Replisom czyli primosom

/ prymosom (aparat replikacyjny) – grupa białek

rozpoczynaj

ą

cych i kontynuuj

ą

cych replikacj

ę

DNA.

Jest to replikacyjny kompleks białkowy obejmuj

ą

cy wiele białek m.in. s

ą

to: polimeraza DNA III, primaza, białko DnaA (inicjatorowe), białko DnaB
(helikaza), białko DnaC. Rozwija on widełki replikacyjne podczas
replikacji.
Szybko

ść

replikacji replisomu wynosi kilkaset bp/s. Efektywna szybko

ść

replikacji DNA wynosi od 0 do 1000 bp/s w optymalnych warunkach. In
vivo u Eucaryota proces przebiega

ś

rednio znacznie wolniej i zale

ż

y od

fazy rozwojowej komórki.

20

Miejsce rozł

ą

czenia si

ę

nici i post

ę

pu replikacji nazywamy

widełkami

replikacyjnymi

. Przeciwstawne widełki tworz

ą

b

ą

bel replikacyjny

(replication bubble). W fazie syntezy cyklu podziałowego tworz

ą

si

ę

setki/tysi

ą

ce b

ą

bli replikacyjnych. Replikacja trwa do momentu, kiedy

spotkaj

ą

si

ę

ze sob

ą

widełki replikacyjne zd

ąż

aj

ą

ce w przeciwnych

kierunkach, a ligaza DNA poł

ą

czy oba ko

ń

ce nowo utworzonych nici.

W rzeczywisto

ś

ci proces jest znacznie bardziej skomplikowany, gdy

ż

ł

ą

czy

si

ę

z rozpadem i odbudow

ą

nukleosomów na obu niciach, tworzeniem

struktur DNA wy

ż

szego rz

ę

du. W procesie bior

ą

równie

ż

udział enzymy

naprawcze, sprawdzaj

ą

ce poprawno

ść

replikacji i naprawiaj

ą

ce drobne

bł

ę

dy kopiowania.

Cykl

podziałowy

mitoza

synteza

G1

G2

Semi-konserwatywna
replikacja DNA