GENETYKA
Cykl wykładów 1
dr hab. Maria Wedzony 2007
1. Historia genetyki
2. Budowa i replikacja DNA
3. Niektóre aspekty podziałów komórkowych
1
Od niepamiętnych czasów obserwowano
podobieństwo potomstwa do rodziców.
Człowiek rodzi człowieka&
Kot rodzi kota&
2
Ale dlaczego dzieci nie są identyczne z rodzicami?
Jak to się dzieje, \
e kobieta rodzi tak\
e chłopców?
Skąd u dzieci pojawiają się cechy nieobecne u \
adnego z rodziców?
3
Jaka jest rola
osobnika
męskiego w
rozmna\
aniu, w
przekazywaniu
cech na
potomstwo?
4
Jeszcze więcej problemów
nastręczały organizmy ni\
sze:
A\
do XIX wieku powszechne
było przekonanie, \
e muchy
rodzą się z brudu, a \
aby z
błota. Dopiero wykrycie
mikroskopu podwa\
yło te
teorie.
5
Zanim zrozumiano na czym
polega dziedziczenie cech
ju\
wykorzystywano reguły
dziedziczenia w praktyce:
w hodowli roślin i zwierząt.
Krzy\
ując zwierzęta o
określonych cechach i
blisko spokrewnione
otrzymano rasy hodowlane
zwierząt domowych i
odmiany roślin uprawnych.
Hodowcy posługiwali się
intuicją i obserwacją.
6
Grzegorz Mendel
Gregor Johann Mendel: ur. 20 lipca 1822 w Hynczycach koło
Nowego Jiczyna, wówczas Cesarstwo Austro-Węgierskie  zm. 6
stycznia w Brnie Morawskim, Cesarstwo A-W)
Aagustianin, prekursor genetyki.
7
Klasztor w Brnie na Morawach
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 du\
ymi grupami osobników (po
kilka tysięcy w jednej próbie)
" Krzy\
owania rozpoczynał dopiero wtedy, gdy
był pewien, \
e materiał wykazuje te same cechy
przez kilka pokoleń.
" Biologia kwitnienia grochu sprzyjała
doświadczeniom.
" Potomstwo krzy\
owań badał przez kilka
pokoleń prowadząc bardzo staranne obliczenia.
" Kiedy badał dziedziczenie wybranych cech nie
zwracał uwagi na pozostałe cechy organizmu.
8
Element szczęścia:
" Wybrał łatwe do zaobserwowania cechy, determinowane jednogenowo i ka\
da o
dwóch allelach o prostych stosunkach dominacji.
" Wybrał cechy determinowane genami le\
ącymi na ró\
nych chromosomach.
Mikroskop z czasów Mendla i projekt oran\
erii na dziedzińcu klasztoru w Brnie,
autorstwa Mendla, częściowo zrealizowany kiedy był przeorem.
9
Współcześni nie zrozumieli teorii Mendla i nie uwierzyli w jego
obliczenia  biolodzy w tamtych czasach przewa\
nie nie znali
matematyki na wystarczającym poziomie by przemówiły do nich
matematyczne argumenty. Zarzucano mu ponadto, \
e wszystkie
badania przeprowadził na jednej roślinie, więc jego prawa nie mogą
mieć charakteru uniwersalnego.
Z tego względu pod
koniec \
ycia Mendel
zaczął badać wiesiołek
Oenothera biennis.
Badania te
doprowadziły go do
głębokiej depresji, gdy\

\
adne z wcześniej
odkrytych praw się nie
sprawdzało!
10
Dziś wiemy \
e:
Wiesiołek ma szereg translokacji w
swoich chromosomach i koniugują
one wszystkie w kształcie pierścienia
 nie ma niezale\
nego dziedziczenia
cech.
Obok: Hugo de Vries wraz z kolegami
oglądają rośliny wiesiołka w ogrodzie
botanicznym: początek XX wieku 
ju\
wiedzą, dlaczego Mendlowi nie
udało się potwierdzić teorii na tej
roślinie.
Z lewej: Koniugacja u
wiesiołka. Chromosomy
rodzicielskie w mejozie tworzą
poliwalent w kształcie
pierścienia. Chromosomy
ka\
dego rodzica zawsze
rozchodzą się do tego samego
bieguna: brak niezale\
nej
segregacji chromosomów, a
więc i genów na nich
zlokalizowanych.
11
Kalendarium odkryć dotyczących dziedziczenia
1865 Jednostki dziedziczenia mają podło\
e materialne Mendel
De Vries
1900 Oficjalne przyjęcie praw Mendla
Tschermack
1901 Teoria mutacji (de Vries)
Correns
Boveri
1903 Chromosomy są dziedziczone
Sutton
1909 Johansen  termin  gen
1910 Geny le\
ą na chromosomach Johansen
1913 Geny le\
ą linearnie na chromosomach Morgan i jego
1927 Mutacje są zmianami fizycznymi w genach grupa (Nobel w
1931 Rekombinacje genów zachodzą w mejozie 1933 r.)
12
Kalendarium odkryć dotyczących dziedziczenia c.d.
Wyodrębnienie kwasów nukleinowych ze spermy
1869 Miescher
łososia
Hipoteza, \
e cechy dziedziczne związane są z DNA 
1928 Griffith
transformacja bakterii Diplococcus
1936 Chromosomy zawierają DNA Casperson
Mutacje pokarmowe u Neurospora crassa: Beadle
1941
teoria 1 gen = 1 enzym Tatum
Avery
Ostateczne potwierdzenie, \
e DNA jest materiałem
1944 McLeod
genetycznym
MacCarty
13
Kalendarium odkryć dotyczących dziedziczenia c.d.
Zdjęcia rentgenowskie krystalicznego DNA: Rosalinda
1944
prawdopodobnie spirala? Franklin
Hershey i
Podczas infekcji komórki bakteryjnej przez
1952
bakteriofaga do wnętrza wnika wyłącznie DNA
Chase
Adenina i tymina, oraz Cytozyna i Guanina
występują w DNA zawsze w tych samych ilościach,
1953 Chargraff
za to proporcje A-T i C-G są charakterystyczne dla
gatunku
Watson i
1953 Model przestrzenny budowy DNA (Nobel 1962 r.)
Crick
14
Co dzisiaj wiemy o DNA
DNA jest polimerem, który
swoje właściwości
zawdzięcza
specyficznej budowie
zasad, z których jest
zbudowany.
Specyficzna lokalna
konfiguracja
nukleotydów sprawia,
\
e podwójna helisa nie
jest tak regularna w
budowie jak wyobra\
ali
sobie Watson i Crick.
15
W dwuniciowym DNA
pomiędzy adeniną i tymina
oraz pomiędzy guaniną i
cytozyną tworzą się
wiązania wodorowe .
16
Z jednej strony łańcucha wolnym
miejscem do wiązania chemicznego
jest węgiel 5 pierścienia rybozy, a na
drugim końcu łańcucha jest to węgiel
3 . Odpowiednio końce pojedynczego
łańcucha DNA nazywamy 5 i 3
Zasada
Zasada
purynowa
pirymidyno
wa
P P
Fosforan
rybozy
17
REPLIKACJA DNA
Aby mogła zajść replikacja podwójna helisa musi być rozpleciona za pomocą
helikazy DNA. Do rozłączającego się miejsca przyłączają się białka destabilizujące
heliks (single strand binding proteins) i umo\
liwiają rozpoczęcie replikacji.
Tylko jedna nić (nić prowadząca  leading strand) syntetyzowana jest w sposób
ciągły przez polimerazę DNA. Druga (nić opóz
niona  lagging strand) syntetyzowana
jest we fragmentach 100-1000 nukleotydów (fragmenty Okazaki), które sklejane są
przez ligazę DNA.
Napięcia powstające w nici na skutek rozplatania likwidują topoizomerazy
rozcinając co jakiś czas obie nici helisy umo\
liwiając im rozkręcenie się, a
następnie łącząc precyzyjnie rozcięte końce.
18
DNA syntetyzowany jest zawsze w kierunku od 5' do 3 . Do rozpoczęcia
syntezy DNA potrzebny jest krótki fragment RNA zwany starterem
(primerem) syntetyzowanym przez kompleks białkowy nazywany
primeosomem (replisomem).
Polimeraza DNA dobudowuje nowe nukleotydy do końca 3
starterowego RNA. Startery przyłączają się do macierzystej nici DNA w
ściśle określonych miejscach nazywanych  miejscami rozpoczęcia
replikacji z angielskiego ORI. Po spełnieniu swojej roli starterowy RNA
zostaje wycięty i rozło\
ony.
Replisom czyli primosom/ prymosom (aparat replikacyjny)  grupa białek
rozpoczynających i kontynuujących replikację DNA.
Jest to replikacyjny kompleks białkowy obejmujący wiele białek m.in. są
to: polimeraza DNA III, primaza, białko DnaA (inicjatorowe), białko DnaB
(helikaza), białko DnaC. Rozwija on widełki replikacyjne podczas
replikacji.
Szybkość replikacji replisomu wynosi kilkaset bp/s. Efektywna szybkość
replikacji DNA wynosi od 0 do 1000 bp/s w optymalnych warunkach. In
vivo u Eucaryota proces przebiega średnio znacznie wolniej i zale\
y od
fazy rozwojowej komórki.
19
Miejsce rozłączenia się nici i postępu replikacji nazywamy widełkami
replikacyjnymi. Przeciwstawne widełki tworzą bąbel replikacyjny
(replication bubble). W fazie syntezy cyklu podziałowego tworzą się
setki/tysiące bąbli replikacyjnych. Replikacja trwa do momentu, kiedy
spotkają się ze sobą widełki replikacyjne zdą\
ające w przeciwnych
kierunkach, a ligaza DNA połączy oba końce nowo utworzonych nici.
W rzeczywistości proces jest znacznie bardziej skomplikowany, gdy\
łączy
się z rozpadem i odbudową nukleosomów na obu niciach, tworzeniem
struktur DNA wy\
szego rzędu. W procesie biorą równie\
udział enzymy
naprawcze, sprawdzające poprawność replikacji i naprawiające drobne
błędy kopiowania.
Semi-konserwatywna
replikacja DNA
synteza
Cykl
G1
G2
podziałowy
mitoza
20