Genom człowieka
Genom jest to całość DNA zawartego w jednym haploidalnym zespole chromosomów. Genom ludzki zawiera kilkadziesiąt tysięcy genów. Poznanie tych wszystkich genów, ich budowy i funkcji pozwoliłoby na zrozumienie przyczyn wielu chorób genetycznych a także na skuteczne ich leczenie.
Zainteresowanie genomem ludzkim zaowocowało utworzeniem w 1989 roku międzynarodowej organizacji Human Genome Organisation ( HUGO ). Organizacja ta opracowała „projekt genomu człowieka” - Human Genom Project ( HGP). Projekt ten miał na celu opracowanie względnego położenia genów w genomie a także określenie kolejności ułożenia zasad w genomie.
Efektem pracy naukowców należących do Human Genom Project było w 2001 roku ogłoszenie, iż genom człowieka zawiera około 30 tysięcy genów. Liczba tych genów nie jest przerażająco wielka, ponieważ podobną ilość genów zawiera genom szympansa. Natomiast niewielki ssak, taki jak mysz posiada jedynie o 300 genów mniej niż człowiek. Cały materiał genetyczny człowieka upakowany jest w 23 parach chromosomalnych , które występują w we wszystkich jądrach komórek budujących ciało człowieka. Materiał genetyczny jest dziedziczny. W nowopowstałym zarodku chromosomy pochodzą w połowie od matki i w połowie od ojca.
Kolejnym wnioskiem naukowców z HGP jest to, że geny nie są jedynymi czynnikami odpowiedzialnymi za wytworzenie się określonych umiejętności i zdolności człowieka, jak również za występowanie chorób. Rozszyfrowanie genomu przedstawicieli różnych ras ( rasy białej, Chińczyków, Afroamerykanów, Latynosów ) wskazało , że między genomami ludzi różnych ras nie ma istotnych różnic. U wszystkich ras odkryto 99,99% wspólnych genów.
Każdy gen zawiera specyficzny „przepis” na określone, kodowane przez niego białko. Cały materiał genetyczny skupiony w jądrze komórkowym zawiera informację dotyczących wszystkich białek budujących nasz organizm. Życie każdego człowieka uzależnione jest od prawidłowej budowy oraz funkcjonowania białek. Dlatego obecnie prężnie rozwija się dziedzina nauki dotycząca budowy i funkcji wszystkich białek . Nauka ta zwana jest proteomiką . Odkrycia naukowców z 2001 roku nie wstrzymały dalszych badań. Kolejne badania podważają poprzednie odkrycia, zarzucając naukowcom pominięcie ponad połowy genów człowieka. Wiele naukowców , będących członkami wielkich firm biotechnologicznych uważa , że w genomie ludzkim może mieścić się około 140 tysięcy genów. Te rozbieżne informacje dotyczące rzeczywistej liczby genów człowieka świadczą o tym że niezbędne są dalsze badania. Pomimo wielu zastrzeżeń, rozszyfrowanie ludzkiego genomu jest rewolucyjnym osiągnięciem inżynierii genetycznej. Wraz z kolejnymi odkryciami dotyczącymi ludzkiego DNA pojawia się nadzieja, że wkrótce będzie możliwe chorób, jak dotąd nieuleczalnych, poprzez zastosowanie tzw. terapii genowej.
Historia projektu poznania ludzkiego genomu.
Głównym celem tego projektu było poznanie kolejności ułożenia ( sekwencji ) par nukleotydów, które budują ludzki DNA.
W 1990 roku Narodowy Instytut Zdrowia w USA ( National Institutes of Heath ) oraz Departament Energii w USA( United States Department of Energy ) były instytucjami, które przyczyniły się do powstania projektu. Instytucje te przeznaczyły 3 miliony dolarów na Projekt Genomu Człowieka. Ówcześnie zakładano , że genom ludzki zostanie w pełni poznany przed rokiem 2005 , a więc w ciągu niecałych 15 lat. Wraz z ogłoszeniem tego wielkiego projektu pojawili się chętni do współpracy naukowcy z różnych krajów. Naukowcy, którzy włączyli się do projektu pochodzili ze Stanów Zjednoczonych, Wielkiej Brytanii, Japonii, Niemiec, Francji i Chin.
Proces poznawania ludzkiego genomu została usprawniony dzięki dużemu rozwojowi technik związanych z sekwencjonowaniem DNA. W roku 2000 przedstawiony został szkicowy opis genomu ludzkiego. To niezwykle istotne wydarzenie w dziedzinie nauki zostało ogłoszone w czasie konferencji prasowej premiera Wielkiej Brytanii Tonego Blaira oraz prezydenta Stanów Zjednoczonych - Billa Clintona.
Wydany 14 kwietnia 2003 roku dokument potwierdzał zsekwencjonowanie 99% całego genomu ludzkiego z prawie stuprocentową trafnością ( 99,99% ).
Niemałe zasługi dla stosunkowo szybkiego poznania ludzkiego genomu miała prywatna korporacja Celera Genomics. Koncern ten wprowadził nową, szybszą technikę sekwencjonowania. Technika ta zwana jest shotgun sequencing i polega ona na pocięcia całego DNA ludzkiego na niewielkie fragmenty, które poddane są analizie. Kombinacje wszystkich par komplementarnych nukleotydów budujących poszczególne odcinki rejestrował komputer. Program komputerowy pozwalał na badanie podobieństw między różnymi odcinkami, dzięki czemu możliwe było złożenie odcinków DNA w całość. Jednak firma Celera Genomics zasłaniając się prawem patentowym nie udostępniała informacji na temat swoich odkryć, co różniło ją od instytucji państwowych , które na bieżąco podawały odkryte sekwencje DNA.
Wynikiem konkurencji między naukowcami z Celera Genomics a naukowcami należącymi do organizacji rządowych było opublikowanie danych w dwóch różnych pismach naukowych. W lutym 2001 roku w Nature pojawił się artykuł autorstwa naukowców rządowych i w tym samym czasie ukazał się w Science artykuł autorstwa Celera Genomics. Efektem badań obu grup naukowców było poznanie 90% całego genomu ludzkiego. Obie grupy naukowców korzystały z różnych technik badawczych, w związku z tym wyniki ich prac nie powtarzały się, lecz dublowały.
Poznanie ludzkiego genomu nie było jedynym celem międzynarodowej współpracy naukowców. Dążeniem naukowców było także poznanie materiału genetycznego innych zwierząt i roślin. Dotychczas poznano już pełny genom muszki owocowej, myszy, nicienia - Cenorabditis elegans, bakterii coli, ryżu i wielu innych. Organizmy te są często stosowane w badaniach genetycznych jako modele biologiczne do obserwacji oddziaływań międzygenowych.
Poznanie kompletnego genomu ludzkiego nie miało na celu jedynie określenie wszystkich par komplementarnych nukleotydów, które tworzą nić DNA. Innym celem programu było wyodrębnienie z tego ogromnego materiału genetycznego genów, które są niezwykle ważne w organizmie ze względu na funkcje jakie pełnią. Poznawanie genów i ich funkcji nadal trwa. Pod tym względem nie można więc mówić o zakończeniu projektu poznania genomu ludzkiego. Obecnie podawane przez naukowców wyniki części badań są dość zaskakujące. Według nich, na cały genom ludzki przypada jedynie 30 tysięcy genów, które kodują białka.
Pozostała część DNA koduje jedynie cząsteczki RNA a nie cząsteczki białek. Okazuje się ,że kwas rybonukleinowy ( RNA ) wykazuje właściwości biochemiczne podobne do właściwości białek a zatem może brać udział w wielu przemianach biochemicznych w ustroju. Naukowcy zaobserwowali również, że niektóre kopie genu znajdujące się w innej części genomu mogą blokować jego ekspresję. Coraz nowsze odkrycia dotyczące genomu ludzkiego zaskakują nawet najznakomitszych naukowców. A zatem poznanie szczegółowej budowy genomu ludzkiego nie jest sprawą prostą , jaka się wydawała na początku badań. Okazuje się ,że nić DNA nie jest tylko zbiorem zakodowanych białek, lecz przypomina ona skomplikowany program komputerowy. Przypuszcza się ,że poznanie tego „programu” będzie trwało jeszcze dziesiątki lat.
Poznanie genomu ludzkiego genomu niesie z sobą wiele korzyści. Wiedzę dotyczącą genomu człowieka na pewno można będzie wykorzystać w medycynie oraz w biotechnologii.
Rozwój różnych technik badań DNA przyczynił się do przyśpieszenia badań. Powstanie projektu poznania genomu ludzkiego spowodowało rozwój w technice badania nukleotydów budujących DNA wszystkich organizmów. Rozszyfrowywanie genomu różnych organizmów jest bardzo przydatne. Dzięki poznaniu genomu jakiegoś groźnego chorobotwórczego mikroorganizmu można dowiedzieć się w jaki sposób infekuje on organizmy oraz jak temu zapobiegać. Obecnie, poznanie genomu pewnego gatunku mikroorganizmu zajmuje jedynie kilka miesięcy a nawet tygodni. Wraz z postępem genetyki musiał nastąpić rozwój informatyki, ponieważ zrozumienie kodu genetycznego wymaga zastosowania odpowiedniego programu komputerowego. Dział informatyki zajmujący się badaniem DNA nazywany jest bioinformatyką.
Bardzo pomocne w analizie DNA są, stosowane od niedawna chipy DNA. W badaniu takim stosuje się układ półprzewodnikowy, na który nanosi się kilka tysięcy fragmentów DNA. Następnie wprowadza się do tego układu DNA badane. Jeśli w tej próbce występuje odcinek kwasu dezoksyrybonukleinowego komplementarny do któregoś z tych kawałków, to nastąpi aktywacja pola chipowego odpowiadającego danemu odcinkowi. Badanie tego typu pozwala na oznaczenie poziomu ekspresji genów występujących w danej próbce. Aktywność biologiczna genów daje nam informację o stanie danego organizmu z którego pobrana została próbka DNA.
Badanie genomu różnych organizmów żywych może mieć duże zastosowanie w biologii ewolucyjnej. Jak wiadomo, obiektem ewolucji nie są poszczególne osobniki, lecz geny.
Śledzenie historii genów poszczególnych gatunków pozwala na określenie ich szlaku ewolucyjnego. Dobrym tego przykładem jest porównanie genomu płazów i ssaków. Wykazano, że u ssaków nastąpiła redukcja genów, co związane jest ze stałocieplnością.
U zwierząt stałocieplnych reakcje biochemiczne w ustroju zachodzą w jednej temperaturze, w związku z tym posiadają one mniej genów niż zwierzęta zmiennocieplne. Zwierzęta zmiennocieplne posiadają dodatkowe geny kodujące enzymy działające w różnych temperaturach.
Rozkwit genetyki nastąpił stosunkowo niedawno. Dopiero w latach czterdziestych zaczęto przypuszczać, że to DNA jest substancją kodującą informację genetyczną dotyczącą budowy całego organizmu. Największe osiągnięcia w dziedzinie genetyki przypadają właśnie na XX wiek. Przełomowym wydarzeniem w historii genetyki było odkrycie w 1953 roku przez dwóch naukowców : Jamesa Watsona i Francisa Cricka dokładnej budowy DNA. Po dziewięciu latach naukowcy zostali uhonorowani Nagrodą Nobla za to odkrycie.
Budowa DNA.
Ciało człowieka buduje blisko 600 miliardów komórek. W każdej z komórek występuje kilka tys. białek ( w tym też enzymy ). O budowie każdego białka i ich syntezie decyduje skumulowana w jądrze, w postaci chromosomów nić DNA. ( kwasu dezoksyrybonukleinowego ). Chromosomy są pałeczkowatymi strukturami powstałymi przez skondensowanie chromatyny ( nici DNA związanej z specyficznymi białkami ). Nazwa chromosom oznacza „ barwiące się ciałko” , a jest to związane z tym, iż w komórce poddanej odpowiedniemu procesowi barwienia widoczne są one w postaci jasnych pałeczek. Wybarwione chromosomy są widoczne pod mikroskopem świetlnym. Oszacowano ,że ludzki genom zawarty w jednej komórce ( nić DNA ) ma długość około półtora metra.
DNA zbudowany jest z podstawowych podjednostek - nukleotydów. W skład pojedynczego nukleotydu wchodzi zasada azotowa, kwas fosforowy oraz cukier- ryboza. W DNA występują tylko cztery rodzaje zasad azotowych , tj. adenina ( A) , guanina ( G ) , cytozyna ( C ) i tymina ( T ). Wydaje się , że za pomocą czterech zasad nie da się zapisać tylu rodzajów białek. Okazuje się jednak, że zapis informacji genetycznej ma postać specyficznego kodu trójkowego. Każdemu aminokwasowi będącemu podstawową jednostką budującą wszystkie białka odpowiada kodon zbudowany z trzech nukleotydów , z których każdy zawiera jedną zasadę azotową. Trójki typu : AAC, GAA, AGA i wiele innych są zapisem poszczególnych aminokwasów. Wszystkich aminokwasów, budujących białka jest 21, natomiast kombinacji trójek kodonów jest 64. W związku z tym niektórym aminokwasom odpowiada więcej niż jeden kodon. Poza tym istnieją tak zwane trójki nonsensowne, które nie kodują żadnego aminokwasu. Pierwszym aminokwasem, któremu przyporządkowano odpowiedni kodon była fenyloalanina. Odkrycia tego dokonano w 1961 roku. Po czterech latach od tego wydarzenia znane były już wszystkie trójki kodujące poszczególne aminokwasy. Poznano również kodony startowe i terminujące, które decydują o rozpoczęciu i zakończeniu procesu translacji.
Chromosomy.
Chromosomy są strukturami powstałymi z DNA , które są specyficznymi nosicielami genów.
Pierwsze wzmianki o ilości chromosomów zawartych w jednej komórce ludzkiej pochodzą z lat dwudziestych dwudziestego wieku, kiedy to uważano ,że ludzki genom zbudowany jest z 48 chromosomów. Jednak po 30 latach ( w 1956 roku ) dwóch naukowców: H. Tjio oraz
A. Levan ogłosili ,że w jądrze komórki ludzkiej występuje 46 chromosomów. Początkowo fakt ten był trudny do zaakceptowania przez wielu uczonych, ponieważ wiele zwierząt posiada więcej chromosomów niż człowiek ( np. wąż → 54chromosmoów, kura →78 ).
Początkowo uważano, że liczba chromosomów jest skorelowana ściśle z komplikacją budowy organizmów oraz ich pozycją w drzewie ewolucyjnym. Jednak zbyt duża liczba wyjątków nie pozwala na przyjęcie na takiej zasady.
Ilość chromosomów jest stała dla danego gatunku a ich niedobór lub nadmiar powoduje różne schorzenia. Pierwszym odkrytym schorzeniem wywołanym nieprawidłową ilością chromosomów była choroba Klinefeltera. Chorobę tą opisali, jako pierwsi, P. Jacobs oraz
J. Strong. Choroba Klinefeltera związana jest z występowaniem dodatkowego chromosomu X u mężczyzn , w związku z czym ich genotyp opisuje się jako XXY. Dodatkowy chromosom X powoduje u mężczyzn obniżenie płodności, niewielki zarost lub jego brak, niedorozwój jąder oraz powiększenie piersi. U mężczyzn z zespołem Klinefeltera dodatkowy chromosom X powoduje dominację chromosomów płciowych żeńskich , w związku z czym męskie cechy są słabiej wykształcone.
Niedobór chromosomu X u kobiet jest przyczyną zespołu Turnera. Wszystkie komórki budujące ich ciało posiadają jedynie 45 chromosomów ( genotyp XO ). Kobiety cierpiące na zespół Turnera charakteryzują się niskim wzrostem, słabo rozwiniętą macicą , niedorozwojem lub brakiem jajników.
Geny.
Gen jest jednostką jest podstawową jednostką dziedziczenia. O istnieniu cząstek dziedzicznych dowiódł już 140 lat temu Grzegorz Mendel- zakonnik i przyrodnik z Moraw. Jednak samo pojęcie „gen” zostało wprowadzone później. Termin ten został wprowadzony w 1910 i oznaczał on jednostkę dziedziczenia , która odpowiada za wykształcenie się jednej, określonej cechy, charakterystycznej dla danego gatunku. Dalsze badania wykazały, że prawie cztery tysiące chorób ludzkich spowodowanych jest nieprawidłowościami w genomie zbudowanym z 23 par chromosomów. Jedynie choroby zakaźne ( wywoływane przez chorobotwórcze drobnoustroje ) oraz urazy ciała nie są związane z genami. Przyczyną wielu chorób, takich jak nadciśnienie, cukrzyca, nowotwory jest współdziałanie kilku a nawet kilkunastu genów. Jak widać, u podstawy większości chorób leżą geny, dlatego dokładne poznanie genomu człowieka może być wydarzeniem , które zrewolucjonizuje medycynę. Być może dzięki poznaniu funkcji wszystkich genów, będzie możliwe skuteczne leczenie chorób genetycznych.
Historia badań DNA :
→ 1953 - odkrycie budowy DNA przez Jamesa Watsona i Francisa Cricka
→ 1957 - opisanie podstawowego prawa biologii molekularnej o przepływie informacji genetycznej ( DNA → RNA → BIAŁKO ).
→ 1966 - poznanie kodu genetycznego, triplety zasad w RNA jako elementy szyfru kodującego aminokwasy
→ 1983 - odkrycie przyczyn niektórych chorób, takich jak : pląsawica Huntingtona , mukowiscydoza.
→ 1985 - pierwsze spotkania dotyczące opracowania mapy gromowej człowieka
→ 1990 - rozpoczęcie projektu HGP ( Human Genome Project ); czas trwania programu oszacowano na 15 lat
→ 1992 - opracowanie przez Craiga Ventera metody pozyskiwania cennych informacji z genomu ludzkiego
→ 1995 - rozpoczęcie rozszyfrowywania genomu ludzkiego
→ 1998 - prywatna firma Celera Genomics podejmuje się zbadania DNA nowszą i szybszą metodą
→ 12.XII. 1999 - wstępne wyniki badań
→ 11. I. 2000 - opracowanie przez Celera Genomics 90 % genomu ludzkiego
→ 06. IV. 2000 - zsekwencjonowanie przez Celera Genomics genomu anonimowej osoby
→ 16. VI. 2000 - pierwsza publikacja z wynikami badań
→ 11. II. 2001 - zapis genetyczny człowieka prawie w pełni odczytany
Zrealizowanie projektu.
Pierwszy etap rozszyfrowania genomu ludzkiego zakończył się 26 czerwca 2000 roku. Sukces ten zawdzięczamy laboratoriom włączonym w program Human Genome Project oraz firmie Celera Genomics. Współpracujący naukowcy złożyli w jedną całość zsekwencjonowanie odcinki DNA ludzkiego.
Jak wiadomo DNA zbudowane jest z nukleotydów połączonych w długi łańcuch , który z drugim , komplementarnym łańcuchem polinukleotydowym tworzy strukturę prawoskrętnej helisy. Dzięki żmudnej pracy naukowców należnych do HGP poznana została sekwencja powyżej trzech miliardów nukleotydów, z których zbudowana jest cząsteczka DNA. Dokładne poznanie genomu ludzkiego pozwoli na zrozumienie przyczyn wielu chorób, a zastosowanie tzw. terapii genowej stanie się skuteczną metodą leczenia chorób genetycznych. W chwili obecnej wiedza jaką posiadamy na temat ludzkiego genomu nie jest jeszcze wystarczająca aby można było ją wykorzystać do celów praktycznych. Wynika to z faktu, iż na razie została poznana tylko sekwencja nukleotydów budujących materiał genetyczny człowieka. Nie wiadomo jednak do końca które odcinki DNA kodują białka, a które są odcinkami niekodującymi. Dlatego celem następnego etapu badań ludzkiego DNA zlokalizowanie poszczególnych genów w całym materiale genetycznym i oddzielenie go od fragmentów niekodujących. Prawdopodobnie geny zajmują jedynie niewielki procent całego ludzkiego DNA. Określenie pozycji wszystkich genów oraz ich funkcji w organizmie będzie na pewno procesem żmudnym, jednak jest to konieczne ze względu na ogromne korzyści jakie przyniosą te badania. Przypuszczalnie badania te będą dużo trudniejsze niż samo zsekwencjonowanie DNA i będą trwać co najmniej kilka lat. Równocześnie naukowcy pracują nad stworzeniem coraz wydajniejszych i szybszych technik badania DNA. Ciągle usprawniane są tzw. płytki genowe. Przypuszcza się ,że dzięki poznaniu szczegółowej budowy genomu ludzkiego i funkcji wszystkich genów diagnostyka chorób genetycznych.
będzie sprawniejsza i dokładniejsza. Dzięki poznaniu genomu określonej osoby możliwe będzie określenie jej predyspozycji do schorzeń genetycznych, jak również skutecznie zapobiegać ich rozwojowi. Być może , w przyszłości terapia lekowa będzie dostosowana do określonego genomu człowieka, co będzie miało na celu wzmocnić skuteczność terapii. Ważne jest aby zdobycze nauki wykorzystywać w sposób prawidłowy, aby znajomość materiału genetycznego danej osoby nie stała się przyczyną jej dyskryminacji lub wykluczenia ze społeczeństwa.
Genetyczne choroby mózgu.
Genom człowieka stanowi kwas dezoksyrybonukleinowy , którego szkielet zbudowany jest z reszt cukrowych i fosforanowych oraz zasad azotowych. W całej cząsteczce ( mierzącej około 1,5 metra długości ) znajdują się około 3 miliardy par zasad. W cząsteczce tej upakowanych jest blisko 40 tysięcy genów, z których 80% ulega ekspresji w określonych komórkach i odpowiednim czasie, natomiast pozostałe 20% należy do tzw. genów metabolizmu komórkowego. Do analizy DNA wystarczy jedynie 10 mililitrów krwi , z których pobierane są limfocyty i poddane szczegółowej analizie.
W latach osiemdziesiątych zidentyfikowano pierwszą chorobę mózgu o podłożu genetycznym. Chorobą tą jest pląsawica Huntingtona. Badania dotyczące tej choroby kosztowały prawie 100 milionów dolarów i trwały blisko 10 lat. Okazało się , że schorzenie to wywołuje wada w jednym genie. Jednak większość chorób wywołana jest współdziałaniem kilku a nawet kilkunastu genów. Skomplikowane zależności między genami stanowią dodatkowe utrudnienie w analizie i ewentualnemu przeciwdziałaniu choroby. Takie trudności nie zniechęcają naukowców, czego dowodem są nieustanne badania nad schorzeniami neurologicznymi takimi jak choroba Alzheimera , choroba Parkinsona a także zaburzeń psychiatrycznych takich jak :schizofrenia i depresje. Poznanie „wadliwych„ genów, które są przyczyną różnych schorzeń wymaga jednocześnie opracowania techniki „naprawiania” tych genów w celach terapeutycznych.
Mutacje genomowe.
Jako pierwszy termin „mutacje” wprowadził w 1909 de Vries, naukowiec badający wiesiołka Lamarka. Mutacjami nazywamy powstające przypadkowo zmiany w genach. Zmienione geny są dziedziczone i przekazywane na następne pokolenia. Zmiany te dotyczą pojedynczych genów ( mutacje punktowe ), ich liczby lub struktury
( aberracje liczbowe lub chromosomowe ). Mutacje genomowe związane są ze zmianą prawidłowej liczby chromosomów. Przyczyną tych mutacji jest nieprawidłowe rozchodzenie się homologicznych chromosomów w czasie podziału mejotycznego lub zwielokrotnienia całego genomu. Mutacje te mogą być wywołane różnymi czynnikami mutagennymi lub powstają samoistnie. Mutacje wywoływane czynnikami mutagennymi zwane są mutacjami indukowanymi. Efekty fenotypowe mutacji mogą przejawiać się w dużym lub mniejszym stopniu.
Rodzaje czynników mutagennych :
- substancje chemiczne wywołujące zmiany w budowie i funkcjonowaniu DNA
- promieniowanie nadfioletowe i jonizujące
- kwas azotowy ( III ) → HNO3 ; substancja ta powoduje usuwanie grup NH2 ( dezaminację ) z zasad azotowych czego efektem jest zamiana cytozyny w DNA na uracyl
- substancje alkilujące
- analogi zasad azotowych ( np. 5-bromouracyl, który składem chemicznym przypomina uracyl )
- barwniki akrydynowe , które powodują zniekształcenie helisy DNA ( np. proflawina, oranż akrylowy , akryflawina )
- alkaloidy - np. kolchicyna wywołująca poliploidalność
- bodźce metaboliczne- np. niedobór jonów Mg lub Ca
- sole metali ciężkich
- wysoka temperatura
Mutacje związane ze zmianą liczby chromosomów ( aberracje liczbowe ).
W komórkach somatycznych człowieka znajduje się podwójny zestaw chromosomów. Komórki takie określa się jako diploidalne ( 2n ). Pojedynczy , czyli haploidalna liczba chromosomów znajduje się jedynie w komórkach rozrodczych - komórkach jajowych i plemnikach. Przyczyną redukcji materiału genetycznego jest podział mejotyczny, zwany także podziałem redukcyjnym. Zmiany liczby chromosomów ( ploidalności ) nazywamy mutacjami liczbowymi.
Podział organizmów ze względu na ilość posiadanego materiału genetycznego.
1. Aneuploidy.
Zmiana ilości materiału genetycznego u tego typu organizmów dotyczy tylko jednej pary chromosomów. Organizmy te posiadają genom w postaci 2n +1 lub 2n -1.
2.Euploidy- dzielą się na autopoliploidy oraz alloploidy.
autopoliploidy - są to organizmy, które posiadają zwielokrotniony cały zestaw chromosomów np. 2n( diploidy ), 3n ( triploidy ), 4n ( tetraploidy ).
Przyczyną poliploidalności mogą być zaburzenia podziału mitotycznego. W czasie podziału nie dochodzi do rozdziału chromosomów homologicznych do komórek potomnych, wynikiem czego powstaje jądro diploidalne. Z komórki takiej, w wyniku kolejnych podziałów może wyrosnąć organizm poliploidalny ( w całości poliploidalny lub tylko częściowo ).
Przyczyną poliploidyzacji może być również nie rozchodzenie się chromosomów w czasie podziału mejotycznego. Niekiedy w komórkach obserwuje się replikację chromosomów , lecz nie towarzyszy temu podział jądra i komórki macierzystej. Proces ten zwany jest endomitozą i powoduje on wzrost poliploidyzacji komórki.
Poliploidyzację można wywołać stosując odpowiednie substancje mutagenne. Przykładem takiej substancji, jest powszechnie stosowana w rolnictwie kolchicyna. Kolchicyna jest alkaloidem pozyskiwanym z rośliny - zimowita wiosennego. Substancja ta hamuje rozwój wrzeciona kariokinetycznego w dzielącej się komórce , uniemożliwiając w ten sposób rozchodzenie się chromosomów homologicznych do komórek potomnych. Stosowanie kolchicyny w rolnictwie ma na celu zwiększenie ploidalności roślin a tym samym ich rozmiarów i szybkości wzrostu. Innym związkiem stosowanym do wywołania poliploidalności roślin uprawnych jest acenaften.
Poliploidalność występuje częściej u roślin niż u zwierząt. Do najczęstszych poliploidów należą triploidy ( 3n ) , które powstają w wyniku połączenia gamety haploidalnej ( 1n ) z diploidalną ( 2n ) oraz tetraploidy ( 4n ) - powstają w wyniku połączenia się dwóch gamet diploidalnych .
alloploidy, zwane także amfiploidami, są organizmami posiadającymi diploidalną liczbę chromosomów, lecz niehomologicznych. Alloploidy są mutantami powstałymi w wyniku połączenia odmiennych genomów. Najczęściej mieszańce tego typu charakteryzują się bezpłodnością ( sterylnością ) oraz niską żywotnością. Wyjątek stanowi muł, którego żywotność jest wyższa od żywotności organizmów rodzicielskich.
Poliploidalność u roślin jest zazwyczaj zjawiskiem korzystnym, ponieważ związana jest z wzrostem wydajności tych roślin. Komórki poliploidalne charakteryzują się większą objętością w stosunku do komórek o niższej ploidalności. Niekiedy w organizmie roślinnym tylko niektóre organy zbudowane są z komórek poliploidalnych. Organy te odznaczają się dużym wzrostem, co określa się mianem gigantyzmu organów. W liściach roślin poliploidalnych występuje mniejsza ilość szparek oddechowych , w związku z czym transpiracja wody jest niższa. Rośliny poliploidalne wykazują większość odporność na
suszę. Najlepszym wzrostem i wydajnością charakteryzują się tetraploidy ( 4n) , rośliny o wyższej poliploidalności wykazują pewne nieprawidłowości w czasie wzrostu.
Poliploidalność u zwierząt ma najczęściej charakter subletalny lub letalny.
Choroby dziedziczne wywołane mutacjami genomowymi.
Zespół Downa.
Choroba ta wywołana jest tzw. trisomią 21 pary chromosomów ( dodatkowy chromosom 21 ).
Osoby cierpiące na zespół Downa charakteryzują się niskim wzrostem, skośnymi oczami,
„mongoidlaną” twarzą , niedorozwojem umysłowym. Występują u nich często wady w rozwoju i funkcjonowaniu narządów wewnętrznych. Osoby z zespołem Downa posiadają typowe cechy charakteru, tzn. są pogodne, czułe, uparte. Dużo częściej ( nawet dziesięciokrotnie częściej ) zapadają na białaczkę.
Zespół Patau.
Choroba ta związana jest z trisomią 13 pary chromosomów. U chorych obserwuje się niedorozwój umysłowy, deformację uszu, rozszczep wargi ( „zajęcza warga” ), wady wzroku, polidaktylię ( dodatkowy palec ) a także nieprawidłowe wykształcenie się narządów wewnętrznych.
Zespół Edwarsa.
Przyczyną tej choroby jest występowanie dodatkowego chromosomu 18 ( trisomia ). Schorzenie to objawia się znacznym niedorozwojem umysłowym, licznymi wadami rozwojowymi. Często choroba kończy się śmiercią.
Zespół Klinefeltera.
U mężczyzn choroba ta wywołana jest obecnością dodatkowego chromosomu płciowego X i objawia się niedorozwojem narządów rozrodczych oraz obniżoną inteligencją.
U kobiet schorzenie to wywołuje także dodatkowy chromosom X , czego efektem są zaburzenia lub brak miesiączkowania oraz obniżona inteligencja.
Zespół Turnera.
Chorobę tą powoduje brak chromosomu X w genomie kobiety. Kobiety z zespołem Turnera charakteryzują się niskim wzrostem, niedorozwojem narządów płciowych oraz bezpłodnością.
Żywienie a genetyka.
Coraz częściej badania genetyczne dotyczą naszego odżywiania się. Badania te zajmują się wpływem pożywienia na nasze geny jak również modyfikacją genetyczną żywności..
Modyfikowanie żywności metodami genetycznymi ma na celu zwiększenie jej wartości odżywczej , obniżenie prawdopodobieństwa zachorowania na niektóre choroby a także określenie prawidłowego sposobu odżywiania. Być może prowadzone badania pozwolą odpowiedzieć na wiele pytań dotyczących metabolizmu poszczególnych składników odżywczych. Poznane będą mechanizmy działania tych związków na nasz organizm.
Badania te dotyczą również zmienności wśród ludzi dotyczącej odpowiedzi metabolicznej na różne produkty spożywcze. Poznanie genomu człowieka być może umożliwi dostosowanie odpowiedniej diety , która miałaby na celu zapobieganiu zachorowania na różne schorzenia.
Badania nad zależnością pomiędzy żywnością a genami mogą być przydatne w celu określenia nowych biomarkerów różnych chorób.
Genomika.
Dzięki ogromnemu postępowi technik inżynierii genetycznej i rozwojowi bioinformatyki powstała nowa gałąź biologii molekularnej - genomika. Nauka ta zajmuje się badaniem różnic i podobieństw DNA genomów należących do osobników tego samego gatunku lub różnych gatunków. Dzięki takiej szczegółowej analizie możliwe jest prześledzenie drogi ewolucyjnej wielu gatunków roślin i zwierząt.
Opracowanie w 2001 roku sekwencji całego genomu człowieka było przełomowym wydarzeniem w nauce. Odkrycie to ma duże znaczenie także dla medycyny, ponieważ terapia genowa wydaje się najskuteczniejsza w leczeniu chorób dziedzicznych a także zapobieganiu ich występowania. Ogromny rozwój techniki pozwoli w przyszłości na szybsze i tańsze zsekwencjonowanie genomu każdego człowieka. Ustalanie profilu genetycznego człowieka w ramach diagnostyki klinicznej pozwoli na prognozowanie prawdopodobieństwa zachorowania na określone choroby oraz zapobiegawcze leczenie.
Obecnie poznane są już pełne genomy takich zwierząt jak : muszka owocowa ( Drosophila melanogaster ) , mysz , nicień ( Cenorabditis Elegans ) , drożdże ( Saccharomyces cerevisiae), wiele gatunków bakterii i wirusów.
Analiza podobieństwa między kolejnością ułożenia aminokwasów w cząsteczkach różnych białek pozwala na ustalenie pokrewieństwa ewolucyjnego genów. Analiza sekwencji na poziomie DNA nie jest zbyt dokładna, ponieważ kod genetyczny jest zdegenerowany i różnice na poziomie nukleotydów są dużo większe.
Wraz z rozwojem nowej dziedziny nauki wprowadzone zostały nowe pojęcia ( np. paralogia i ortologia ). Paralogia - jest to zjawisko występowania genów o podobnej sekwencji w obrębie genomu jednego gatunku. Ortologia natomiast dotyczy podobieństwa sekwencji genów w genomach organizmów należących do różnych gatunków.
Zsekwencjonowanie materiału genetycznego drożdży wykazało , że 24 % genów drożdży stanowi ortologię genów człowieka. Odkrycie to dowodzi , że wiele białek powstało bardzo wcześnie oraz pełnią one ważne funkcje w podstawowych reakcjach metabolicznych w organizmach o niskim stopniu pokrewieństwa. Szczegółowa analiza DNA drożdży dowiodła także istnienie 376 paralogów , czyli podobnych genów w obrębie genomu jednego gatunku.
Na podstawie tych wyników przypuszcza się , iż 100 milionów lat temu nastąpiła duplikacja genomu drożdży. Pewna ilość tych genów została wyeliminowana na drodze ewolucji, część przekształciła się w nieaktywne „pseudogeny” a pozostałe uzyskały nowe funkcje.
Istotną rolę w ewolucji organizmów pełnił tzw. horyzontalny transfer genów. Proces ten polega na zdobywaniu genów od innych gatunków. Zjawisko to występuje głównie u bakterii, które pobierają obcy materiał genetyczny za pośrednictwem wirusów i plazmidów. Organizmy wyższe nie wykazują transferu genów, prawdopodobnie ze względu duże różnice między poszczególnymi gatunkami.
Zgodnie z regulaminem serwisu www.bryk.pl prawa autorskie do niniejszego materiału posiada Wydawnictwo GREG. W związku z tym, rozpowszechnianie niniejszego materiału w wersji oryginalnej albo w postaci opracowania, utrwalanie lub kopiowanie materiału w celu rozpowszechnienia w szczególności zamieszczanie na innym serwerze, przekazywanie drogą elektroniczną i wykorzystywanie materiału w inny sposób niż dla celów własnej edukacji bez zgody Wydawnictwa GREG podlega grzywnie, karze ograniczenia wolności lub pozbawienia wolności.