Genetyka

Podstawy genetyki klasycznej

Podstawowe pojęcia stosowane w genetyce

Gen - odcinek DNA zawierający informację o kolejności aminokwasów w cząsteczce białka.

Allel - odmiana genu wywołująca różną postać tej samej cechy (na przykład czerwona lub biała barwa kwiatu).

Allel dominujący - odmiana genu ujawniająca się w fenotypie niezależnie od rodzaju drugiego allelu.

Allel recesywny - odmiana genu ujawniająca się w fenotypie tylko wtedy, gdy drugi allel jest również recesywny, obecność allelu dominującego maskuje istnienie recesywnego.

Heterozygota - osobnik (lub komórka) posiadający dwa różne allele tego samego genu.

Homozygota - osobnik (lub komórka) posiadający dwa takie same allele. Jeśli obydwa allele są dominujące, mówimy o homozygocie dominującej, jeśli recesywne - o recesywnej.

Genotyp - zestaw genów danego organizmu.

Fenotyp - cechy organizmu będące wynikiem współdziałania genów i środowiska.

Zasady dziedziczenia

Podstawowe prawa dziedziczenia cech zostały opracowane przez G.Mendla w połowie XIX wieku:

I prawo Mendla - prawo czystości gamet: Gamety zawierają po jednym allelu z każdej pary alleli.

II prawo Mendla - prawo niezależnej segregacji cech: Allele dwóch różnych genów rozdzielane są do gamet niezależnie od siebie.

Na początku XX wieku zasady dziedziczenia zostały uzupełnione przez Thomasa Morgana. Uczony ten był twórcą chromosomowej teorii dziedziczności, odkrywając chromosomy jako miejsce, gdzie znajdują się geny. Zauważył też, że nie wszystkie cechy dziedziczą się zgodnie z II prawem Mendla. Znajdujące się na jednym chromosomie allele różnych genów rozchodzą się do gamet razem. Geny te nazwał genami sprzężonymi.

Geny sprzężone to geny znajdujące się na jednym chromosomie.

Schemat zapisu prostej krzyżówki genetycznej

Przy zapisywaniu krzyżówek stosujemy najczęściej symbole literowe. Allele dominujące zapisujemy duża literą alfabetu - np. A, a recesywne małą - a.

Do jednej cechy stosujemy jedną literę alfabetu. Nie stosuje się zapisów A - cecha dominująca, b - cecha recesywna (przy bardziej skomplikowanych krzyżówkach taki zapis nieuchronnie prowadzi do błędu).

AA - homozygota dominująca / aa - homozygota recesywna / Aa - heterozygota

Dodatkowe symbole stosowane przy zapisie krzyżówek:

P - pokolenie rodzicielskie, F1 - pierwsze pokolenie potomne, F2 - drugie pokolenie potomne.

Najczęściej stosowana forma zapisu to schemat lub tabelka.

Zapis krzyżówki wykonanej przez G. Mendla, doświadczenie dotyczące dziedziczenia barwy kwiatów u grochu.( przykład)

A - allel dominujący warunkujący czerwoną barwę kwiatów

a - allel recesywny - odpowiada za białe kwiaty

lub to samo w postaci tabelki: F1 Aa x Aa

Gamety	A	a
A	AA czerwony	Aa czerwony
a	Aa czerwony	Aa biały

Kwasy nukleinowe DNA i RNA

• Budowa DNA DNA - kwas deoksyrybonukleinowy - jest nośnikiem informacji genetycznej. Jego struktura odkryta została w 1954 r. przez dwóch uczonych: Jamesa Watsona i Francisa Cricka. Cała cząsteczka zbudowana jest z dwóch nici spiralnie okręconych wokół siebie tworzących podwójną helisę(dwie skrecane ze soba nici). Każda nić zbudowana jest z pojedynczych „cegiełek” - nukleotydów. Struktura przestrzenna DNA to podwójna helisa. Jednostką budującą każdą nić jest nukleotyd.

Budowa nukleotydu DNA:

Schemat budowy nukleotydu DNA.

Poszczególne nukleotydy łączą się ze sobą w ten sposób, że reszta kwasu fosforowego jednego nukleotydu łączy się z deoksyrybozą następnego.

Połaczenie nukleotydów tworzących nić

Zasady azotowe cechuje zdolność do łączenia się w pary, przy czym obowiązuje tu ściśle określona reguła: adenina zawsze łączy się z tyminą, a guanina z cytozyną. Cecha ta nazywana jest komplementarnością zasad azotowych. Ponieważ zasady azotowe są jedynym elementem różniącym poszczególne nukleotydy, można mówić o komplementarności nukleotydów.

Druga, równoległa nić zbudowana jest z nukleotydów komplementarnych, a więc, jeśli na jednej nici w wybranym miejscu znajduje się nukleotyd adeninowy, to naprzeciwko niego będzie nukleotyd zawierający tyminę i odpowiednio naprzeciw nukleotydu guaninowego znajdzie się nukleotyd zawierający cytozynę. Można więc powiedzieć, że nici na całej swej długości są względem siebie komplementarne.

Fragment podwójnej nici DNA

Całość składa się przeciętnie z kilku - kilkudziesięciu milionów par nukleotydów. Obydwie nici okręcają się wokół siebie w prawą stronę, tworząc ostatecznie uformowaną cząsteczkę DNA.

Schemat podwójnej helisy DNA

Replikacja to jeden z ważniejszych procesów biologicznych - jego celem jest dokładne skopiowanie cząsteczki DNA (a tym samym informacji genetycznej w niej zapisanej). Powielony DNA jest następnie przekazywany komórkom potomnym - dziedziczą one tym samym informację genetyczną. Replikacja, jak każdy proces zachodzący w komórce, jest katalizowana przez odpowiedni enzym - w tym przypadku jest to polimeraza DNA. Samo powielanie polega na systematycznym podstawianiu do jednej nici (starej) komplementarnych nukleotydów (powstaje nowa nić).

Przebieg replikacji:

1. Polimeraza DNA znajduje na nici DNA miejsca inicjacji replikacji. Są to odpowiednie sekwencje nukleotydów rozpoznawane jako miejsca startu. Takich miejsc w obrębie jednej cząsteczki jest wiele, stąd replikacja jednocześnie przebiega w wielu miejscach.

2. W miejscu inicjacji replikacji następuje rozplecenie podwójnej helisy. Jest to konieczne, gdyż zasady azotowe skierowane są do środka i inaczej nie dałoby się ich odczytać. W miejscu rozplecenia powstają tzw. widełki replikacyjne.

3. W widełkach replikacyjnych polimeraza DNA ustawia naprzeciwko każdego nukleotydu nowy komplementarny nukleotyd. Nowe nukleotydy łączą się ze sobą (polimeryzują) i powstaje nowa nić. Analogiczne zjawisko zachodzi na drugiej nici.

Schemat replikacji

Wykorzystanie zasady komplementarności pozwala na bardzo precyzyjne powielenie cząsteczki DNA.

Powstałe w procesie replikacji cząsteczki składają się z jednej nici starej i jednej nowej - dobudowanej do starej. Dlatego mówimy, że replikacja jest semikonserwatywna (inaczej półzachowawcza).

• Budowa RNA

• RNA - kwas rybonukleinowy jest przeważnie jednoniciowy i w przestrzeni przyjmuje bardzo różne formy. Nić, podobnie jak w DNA, zbudowana jest z nukleotydów.

Schemat budowy nukleotydu RNA

Poszczególne nukleotydy łączą się ze sobą, podobnie jak nukleotydy DNA, tworząc nić. Jest ona zawsze znacznie krótsza od nici DNA.

RNA występuje w komórce w kilku postaciach:

- matrycowy (informacyjny)RNA (mRNA) - jest roboczą kopią genu

- transportowy RNA (tRNA) - przenosi aminokwasy niezbędne do syntezy białka

- rybosomalny(budujący) RNA (rRNA) - jest składnikiem rybosomów.

Ogólnie rola RNA polega na udziale w realizacji informacji genetycznej.

Każdy RNA powstaje wg informacji zawartej w DNA. Proces ten nazywany jest transkrypcją i przebiega na podobnej zasadzie jak replikacja.

Synteza RNA nazywana jest transkrypcją.

Informacja o budowie RNA zawarta jest w DNA.

Porównanie DNA i RNA

	DNA	RNA
występowanie	jądro komorkowe(również mitochondria i chloroplasty)	cytoplazma, rybosomy, jadro komórkowe
struktura przestrzenna cząsteczki	zawsze podwójna helisa	najczęściej pojedyńcza nić różnie ułozona
budowa nukleotydu	reszta kwasu fosforowego, cukier - deoksyryboza, jedna z zasad azotowych (adenina, guanina,cytozyna, tymina,)	reszta kwasu fosforowego, cukier - rybozyna jedna z zasad azotowych (adenina, guanina,cytozyna, uracyl,)
funkcja	jest nosnikiem informacji genetycznej	umożliwia realizacje informacji genetycznej

Zapis informacji genetycznej.

Kod genetyczny

Podobnie jak w informatyce, gdzie wyróżnia się jednostki informacji zwane bitami, tak w genetyce taką „cegiełką informacyjną” jest gen. Informacja genetyczna dotyczy budowy i sposobu funkcjonowania organizmu - czyli jest informacją o ogromnej ilości jego cech. Każda taka cecha, o ile jest oczywiście cechą dziedziczną, zapisana jest w genach.

Uwaga! Nie obowiązuje tu zasada jeden gen - jedna cecha. Są cechy, które są efektem obecności kilku genów, jak również zdarza się, że jeden gen wywołuje pojawienie się kilku cech jednocześnie.

Analiza funkcjonowania organizmu wskazuje, że warunkiem pojawienia się jakiejkolwiek cechy jest obecność odpowiedniego białka. Związki te pełnią wiele różnorodnych i kluczowych dla organizmu funkcji. Szczególną rolę odgrywają białka enzymatyczne, katalizujące szereg przemian.

Przykład: albo ktoś posiada w komórkach tęczówki oka enzym (= białko) katalizujący syntezę melaniny i ma oczy ciemne (np. brązowe), albo go nie posiada i ma oczy jasne (np. niebieskie).

Prawidłowe funkcjonowanie cząsteczki białka uwarunkowane jest jego przestrzennym kształtem (struktura trzeciorzędowa). Kształt cząsteczki zależy od kolejności aminokwasów wchodzących w jej skład (struktura pierwszorzędowa).

Wystarczy więc zapisać kolejność aminokwasów, aby odtworzyć ostateczną budowę białka.

Gen jest to fragment cząsteczki DNA zawierający informację o kolejności aminokwasów w cząsteczce białka.

Aminokwasów budujących białko jest 20, natomiast w DNA spotykamy 4 rodzaje nukleotydów. Najprostszym sposobem zakodowania 20 aminokwasów za pomocą 4 nukleotydów jest zastosowanie kombinacji trójkowej. Określonej kombinacji trzech nukleotydów (tzw. kodonowi albo tripletowi) odpowiada określony aminokwas. Na tym właśnie polega kod genetyczny (czyli system szyfrowania informacji).

Kod genetyczny jest to system zapisu informacji genetycznej, w którym każdemu aminokwasowi odpowiada określony kodon.

Kodon (triplet) to trzy kolejne nukleotydy wyznaczające aminokwas.

Uwaga! Są trzy kodony, które nie wyznaczają żadnego aminokwasu - to tzw. kodony nonsensowne,

Cechy kodu genetycznego:

1. Jest trójkowy, czyli 3 nukleotydy to jeden kodon (a dalej jeden aminokwas).

2. Jest jednoznaczny, to znaczy, że jeden kodon wyznacza tylko jeden aminokwas.

3. Jest zdegenerowany, to znaczy, że jeden aminokwas może być zapisany za pomocą kilku różnych kodonów. Właściwość ta wynika z faktu, że ilość kombinacji trzech nukleotydów przy czterech ich rodzajach wynosi 64. Wiadomo, że trzy z nich są nonsensowne, zostaje więc 61 kodonów dla zapisania 20 aminokwasów. Statystycznie więc 1 aminokwas można by zapisać na trzy sposoby, w praktyce ta liczba jest zmienna (przyjrzyj się tabeli kodu genetycznego).

4. Jest bezprzecinkowy, to znaczy pomiędzy kodonami nie ma żadnych znaków przestankowych ani wolnych nukleotydów, a informacja odczytywana jest jednym ciągiem.

5. Jest niezachodzący, to znaczy jeden kodon nie zachodzi na sąsiedni, nie ma możliwości, żeby np. trzeci nukleotyd jednego kodonu był jednocześnie pierwszym następnego.

6. Jest uniwersalny (powszechny), to znaczy, że obowiązuje jeden, taki sam sposób zapisu informacji w całym świecie ożywionym. Ta cecha kodu genetycznego jest wspaniałym dowodem na jedność świata żywego i wspólne pochodzenie organizmów.

7. Jest czteroliterowy - zawsze w jego skład wchodz tylko litery odnoszące się do zasad.

8. Jest kolinearny - rodzaj kodonów i liczba determinuje jakość, liczbę i kolejność ułożenia aminokwasów w łańcuchu polipeptydowym.

Kod genetyczny jest uniwersalny - ten sam sposób zapisu informacji obowiązuje w całym

świecie organizmów żywych.

Tabela: kod genetyczny

	U	C	A	G
U	UUU fenyloalanina	UCU seryna	UAU tyrozyna	UGU cysteina	U
U	UUC fenyloalanina	UCC seryna	UAC tyrozyna	UGC cysteina	C
U	UUA leucyna	UCA seryna	UAA stop	UGA stop	A
U	UUG leucyna	UCG seryna	UAG stop	UGG tryptofan	G
C	CUU leucyna	CCU prolina	CAU histydyna	CGU arginina	U
C	CUC leucyna	CCC prolina	CAC histydyna	CGC arginina	C
C	CUA leucyna	CCA prolina	CAA glutamina	CGA arginina	A
C	CUG leucyna	CCG prolina	CAG glutamina	CGG arginina	G
A	AUU izoleucyna	ACU treonina	AAU asparagina	AGU seryna	U
A	AUC izoleucyna	ACC treonina	AAC asparagina	AGC seryna	C
A	AUA izoleucyna	ACA treonina	AAA lizyna	AGA arginina	A
A	AUG metionina	ACG treonina	AAG lizyna	AGG arginina	G
G	GUU walina	GCU alanina	GAU kw.asparaginowy	GGU glicyna	U
G	GUC walina	GCC alanina	GAC kw. asparaginowy	GGC glicyna	C
G	GUA walina	GCA alanina	GAA kw. glutaminowy	GGA glicyna	A
G	GUG walina	GCG alanina	GAG kw. glutaminowy	GGG glicyna	G

Realizacja informacji genetycznej

Biosynteza białka

Realizacja posiadanej informacji genetycznej polega na syntezie cząsteczki białka. Proces ten podzielony jest na etapy zachodzące w różnych miejscach na terenie komórki.

Etap 1. Transkrypcja

Transkrypcja to synteza nici RNA według informacji zapisanej w DNA, a konkretnie we fragmencie cząsteczki będącej genem. Można więc powiedzieć, że transkrypcja to kopiowanie genu. Proces zachodzi w jądrze komórkowym i ma na celu:

- stworzenie możliwie dużej ilości kopii, które stanowić będą matrycę do syntezy białka (w ten sposób jednocześnie może być syntetyzowana duża ilość takich samych cząsteczek białka).

- ochronę oryginału - czyli informacji zawartej na DNA - cząsteczka ta nie podlega już żadnym innym obróbkom podczas których mogłaby ulec uszkodzeniu, ani nie musi opuszczać bezpiecznego miejsca, jakim jest jądro komórkowe.

W procesie transkrypcji bierze udział enzym - polimeraza RNA.

Transkrypcja to przepisywanie fragmentu DNA (genu) na RNA. Zachodzi w jądrze komórkowym.

Przebieg procesu

1. Polimeraza RNA odnajduje na nici DNA odpowiednie miejsce, w którym rozpocznie się transkrypcja. Miejsce to nazywane jest promotorem i znajduje się w niewielkiej odległości przed genem. W tym miejscu enzym rozplata nić DNA. Warunkiem rozpoczęcia procesu jest związanie się polimerazy RNA z nicią DNA. Do tego potrzebne są substancje zwane czynnikami transkrypcyjnymi. Mogą one regulować „włączanie” i „wyłączanie” genu.

2. Jeśli odpowiednie warunki związane z czynnikami transkrypcyjnymi są spełnione, rozpoczyna się kopiowanie. Naprzeciwko nukleotydów nici DNA ustawiane są odpowiednie nukleotydy RNA. Podobnie jak przy replikacji obowiązuje tu zasada komplementarności, czyli naprzeciwko cytozyny ustawiana będzie guanina i na odwrót, a naprzeciwko tyminy - adenina. Tutaj uwaga: naprzeciwko adeniny wstawiany będzie uracyl (w RNA nie ma tyminy!). Nukleotydy RNA łączą się ze sobą (polimeryzacja) i powstaje nić RNA.

3. Po skopiowaniu odcinka DNA będącego genem, polimeraza RNA rozpoznaje odpowiednią sekwencję nukleotydów, która jest sygnałem do zakończenia transkrypcji. Miejsce to nazywane jest terminatorem. Tu polimeraza oddziela się od DNA i transkrypcja ulega zakończeniu.

Podstawianie kolejnych nukleotydów zachodzi według zasady komplementarności. Enzym katalizujący proces to polimeraza RNA.

Podczas transkrypcji kopiowaniu ulega fragment DNA od promotora do terminatora

4.W ten sposób powstały RNA przypomina produkt w stanie surowym, który wymaga jeszcze wykończenia, czyli obróbki potranskrypcyjnej. Wynika to z faktu, iż geny mają budowę nieciągłą, to znaczy, że fragmenty zawierające jakąś informację, czyli eksony, są poprzedzielane fragmentami nic nie kodującymi - intronami. Powstała w drodze transkrypcji nić RNA zawiera obydwa elementy i te niepotrzebne trzeba usunąć. Obróbka potranskrypcyjna polega więc na wycinaniu intronów. W efekcie pozostają tylko eksony. Dopiero teraz nić RNA może posłużyć za matrycę do syntezy białka - otrzymaliśmy tzw. matrycowy albo informacyjny RNA (mRNA) .

Etap 2. Translacja

Etap ten polega na „przetłumaczeniu” zakodowanej w nukleotydach informacji na język aminokwasów i zsyntetyzowaniu odpowiedniej cząsteczki białka. Zachodzi w cytoplazmie, więc mRNA musi wcześniej opuścić jądro (przechodzi przez pory w otoczce jądrowej). W biosyntezę białka bezpośrednio zaangażowane są rybosomy - drobne struktury komórkowe, występujące luźno w cytoplazmie lub związane z siateczką wewnątrzplazmatyczną. Zbudowane są z dwóch podjednostek - większej i mniejszej.

Translacja to synteza białka na podstawie informacji zawartej w mRNA.

Poza rybosomami ważnym elementem biorącym udział w procesie jest transportowy RNA. Jest to nieduża cząsteczka o bardzo charakterystycznym kształcie (w niektórych podręcznikach można spotkać porównanie do liścia koniczyny). W jej obrębie znajdują się dwa bardzo ważne miejsca:

- miejsce przyłączenia aminokwasu znajdujące się na wolnej końcówce

- antykodon znajdujący się w środkowej pętli. Jest to określona sekwencja trzech nukleotydów, różna u różnych tRNA. Ważne jest to, że rodzaj antykodonu decyduje o tym jaki aminokwas zostanie przyłączony - każdy rodzaj tRNA nosi tylko jeden aminokwas.

Podsumowując, do syntezy białka potrzeba:

- przepisu jak go zrobić - jest nim skopiowany gen w postaci mRNA

- surowca - czyli aminkwasów. Te „przyprowadzane” są przez odpowiednie rodzaje tRNA

- urządzenia do produkcji - czyli rybosomów

- energii i odpowiednich enzymów.

Przebieg procesu

1. Początek, czyli inicjacja translacji to złożenie tzw. maszyny translacyjnej:

a) mała podjednostka rybosomu przyłącza początek nici mRNA oraz strartowy tRNA. Jest to tRNA niosący metioninę (to nazwa aminokwasu) i mający antykodon UAC. mRNA i tRNA ustawiają się w taki sposób, że naprzeciwko antykodonu tRNA (UAC) znajduje się komplementarny doń kodon mRNA. Łatwo domyślić się, że kodon ten to AUG - nazywany kodonem startowym i sygnalizujący początek genu (transkrypcja obejmowała trochę dłuższy odcinek i zaczynała się trochę przed genem, czyli w promotorze);

b) na końcu dołącza się duża podjednostka rybosomu.

2. Dalszy etap to synteza łańcucha aminokwasów, czyli elongacja.

a) W rybosomie znajdują się miejsca na dwa tRNA - jedno jest więc w tej chwili wolne. W to wolne miejsce wchodzi tRNA niosący kolejny aminokwas (na naszym schemacie jest to alanina, ale może być każdy inny). Warunek: jego antykodon musi być komplementarny do kodonu znajdującego się za AUG. Ustawienie się drugiego tRNA obok pierwszego zbliża do siebie aminokwasy, pomiędzy którymi wytwarza się wiązanie peptydowe

b) Kompleks tRNA-metionina rozpada się. Uwolniony tRNA wraca do cytoplazmy, a na jego miejsce wchodzi tRNA obecny obok w rybosomie (czyli w naszym przypadku ten, który przyniósł alaninę). Razem z nim przesuwa się cała nić mRNA i w obrębie rybosomu pojawia się nowy wolny kodon, a naprzeciw niego wolne miejsce dla nowego tRNA.

c) W wolne miejsce wchodzi następny tRNA, oczywiście pod warunkiem, że jego antykodon pasuje do kodonu (w naszym przypadku jest to lizyna) i cały cykl powtarza się od początku.

Podsumowując: elongacja polega na powtarzającym się cyklu wydarzeń:

- wejściu tRNA w wolne miejsce do rybosomu i związaniu jego antykodonu z kodonem na mRNA

- wytworzeniu wiązania peptydowego między dwoma sąsiednimi aminokwasami

- oddzieleniu się wcześniej przybyłego tRNA od aminokwasu i jego powrotu do cytoplazmy

- przesunięciu się świeżo przybyłego tRNA na miejsce starego wraz z nicią mRNA i zwolnienie miejsca dla następnego tRNA niosącego aminokwas.

3. Zakończenie translacji, czyli terminacja.

W momencie, gdy na nici mRNA pojawi się jeden z trzech kodonów nonsensownych (inaczej nazywane są one kodonami STOP) następuje zakończenie procesu syntezy białka. Do kodonów nonsensownych nie pasują żadne antykodony (nie ma tRNA o odpowiednich antykodonach). Następuje wtedy odłączenie łańcucha aminokwasów i rozpad rybosomu na podjednostki.

4. Otrzymany polipeptyd (= łańcuch aminokwasów) nie jest jeszcze gotową cząsteczką białka (znowu mamy do czynienia z produktem w stanie surowym, wymagającym wykończenia). Dalsze przekształcenia polegają na wycięciu niektórych fragmentów łańcucha (zwłaszcza początkowego fragmentu - nie wszystkie białka zaczynają się przecież od metioniny), dołączeniu innych cząsteczek (np. glukozy lub reszty kwasu fosforowego) i odpowiednim zwinięciu łańcucha. Dopiero po tych procesach zwanych obróbką potranskrypcyjną otrzymujemy gotowe białko.

Translacja rozpoczyna się od kodonu startowego AUG i kończy na kodonie STOP.

Aminokwasy, przyprowadzane przez tRNA, ustawiane są w kolejności zgodnej z wyznaczającymi je kodonami na mRNA. Jest to możliwe dzięki dopasowywaniu się antykodonów tRNA do kodonów na mRNA.

Budowa chromosomów

Chromosomy to pałeczkowate struktury zbudowane z DNA i białek. Ich rola wynika z obecności DNA - na chromosomach znajdują się geny. Jednocześnie bardzo precyzyjny sposób zwinięcia się DNA w chromosom gwarantuje prawidłowe rozdzielenie genów do komórek potomnych. Geny na chromosomach ułożone są liniowo (to znaczy jeden za drugim) i mają swoje stałe miejsce. Chromosomy są widoczne tylko podczas podziału komórkowego, a ich budowa zależy od tego, czy obserwujemy je tuż przed, czy tuż po podziale komórki.

Chromatydy są zbudowane z dwóch identycznych cząsteczek DNA, powstałych podczas replikacji. Rozdzielenie materiału genetycznego w czasie podziału polegać więc będzie na rozdzieleniu chromosomów na dwie chromatydy - powstałe w ten sposób chromosomy, widoczne tuż po podziale, składać się będą z jednej chromatydy.

Pomiędzy podziałami komórkowymi (interfaza) struktura chromosomów rozluźnia się - tworzy się wówczas chromatyna wypełniająca jądro komórkowe.

DNA wchodzące w skład chromosomu jest bardzo starannie pozwijane - sposób jego upakowania w chromosomie ilustruje poniższy schemat:

Chromosomy występujące w komórkach somatycznych tworzą pary chromosomów homologicznych.

Chromosomy homologiczne to pary chromosomów o takim samym wyglądzie, zawierających te same geny, ale różniące się pochodzeniem - jeden pochodzi od ojca, a drugi od matki.

Uwaga! Stwierdzenie, że chromosomy homologiczne posiadają te same geny nie oznacza obecności tych samych alleli (gen warunkujący barwę kwiatów znajduje się w tym samym miejscu na obydwu chromosomach homologicznych, przy czym u osobnika heterozygotycznego na jednym chromosomie jest allel biały a na drugim czerwony).

Zestaw obejmujący po jednym z każdej pary chromosomów homologicznych nazywany jest garniturem chromosomowym. Komórki zawierające taki zestaw określamy jako haploidalne, a liczbę chromosomów oznaczamy literą n. Taki przypadek ma miejsce w gametach. Pozostałe komórki mają podwójny garnitur chromosomów, czyli są diploidalne (2n). Niekiedy w świecie roślin spotyka się komórki o potrójnej liczbie chromosomów homologicznych, czyli triploidalne (3n).

Gamety posiadają zawsze haploidalną liczbę chromosomów - n, natomiast komórki somatyczne diploidalną - 2n (wyjątkiem mogą być rośliny).

Materiał genetyczny znajdujący się w podstawowym (czyli haploidalnym) komplecie chromosomów nazywany jest genomem

Kariotyp człowieka

Kariotyp to opis morfologiczny chromosomów w komórce somatycznej. Opis taki obejmuje:

- liczbę chromosomów

- wygląd chromosomów (kształt, wielkość)

- sposób rozmieszczenia genów na chromosomach, co uwidacznia się po wybarwieniu w postaci charakterystycznych prążków.

Chromosomy opisuje się w stadium metafazy mitozy, gdyż wtedy są najlepiej widoczne. Komórki somatyczne mają stałą, charakterystyczną dla każdego gatunku liczbę chromosomów. Dla człowieka wynosi ona 46, albo inaczej 23 pary chromosomów homologicznych (n = 23).

Komórki somatyczne człowieka są diploidalne i zawierają 46 chromosomów (23 pary)

Plemniki i komórki jajowe zawierają po 23 chromosomy.

Osiągnięcia współczesnej genetyki pozwoliły dość dokładnie opisać i określić zawartość chromosomów człowieka. Każdej parze chromosomów homologicznych przypisany jest odpowiedni numer (od 1 do 23). Powoli poznajemy położenie poszczególnych genów na chromosomach. Całkowita liczba genów w genomie człowieka szacowana jest na ok. 30 tysięcy.

22 pary chromosomów określamy mianem autosomów, natomiast 23. para to chromosomy płci (inaczej heterosomy). Określamy je literami X lub Y. Zestaw heterosomów różni się u kobiety i mężczyzny: kobieta ma dwa chromosomy X (XX), a mężczyzna jeden X i jeden Y (XY)

Kariotyp człowieka:

	kobieta	mężczyzna
autosomy	22 pary	22 pary
chromosomy płci	XX	XY

Chromosomy X i Y nie są w pełnym tego słowa znaczeniu chromosomami homologicznymi. X jest duży i zawiera wiele genów, natomiast Y jest mały, o niewielkiej liczbie genów, na dodatek zupełnie innych niż na X (na Y są geny warunkujące prawidłowy rozwój osobnika płci męskiej). Pomimo tych różnic chromosomy te traktowane są jako homologiczne, ze względu na specyficzne zachowanie podczas mejozy - tak jak chromosomy homologiczne tworzą biwalent i dzięki temu tylko jeden z nich trafia do powstającej gamety (tu: plemnika).

U człowieka wykonuje się badanie kariotypu przy diagnozowaniu chorób genetycznych. Analizując liczbę i wygląd chromosomów i porównując je ze standardowym modelem, można łatwo wykryć anomalie genetyczne będące wynikiem mutacji chromosomowych (uszkodzenia fragmentów chromosomów) i genomowych (zmiana liczby chromosomów).

Dziedziczenie płci i cech z nią sprzężonych

Płeć człowieka zależy od kombinacji chromosomów płci, które otrzymał od swoich rodziców. Kobieta posiada chromosomy XX, więc powstające w jej organizmie komórki jajowe mogą zawierać tylko chromosom płci X. Natomiast mężczyzna ma chromosomy XY, stąd przy powstawaniu plemników są dwie możliwości: albo do plemnika trafi chromosom X albo Y. Szanse są jednakowe, połowa plemników zawiera chromosom X, a połowa Y.

Wszystkie gamety zawierają 22 autosomy.

Z chromosomów płci komórka jajowa może zawierać wyłącznie chromosom X, natomiast plemniki mogą zawierać albo X, albo Y.

Teraz wszystko zależy od tego, który plemnik zapłodni komórkę jajową. W wyniku zapłodnienia plemnikiem z chromosomem X powstanie dziewczynka, a z chromosomem Y chłopiec.

Jak widać prawdopodobieństwo urodzenia się dziewczynki lub chłopca jest takie samo i wynosi 50%.

Chromosom Y zawiera niewiele genów (w praktyce szkolnej często mówi się, że jest pusty), natomiast na chromosomie X znajduje się dużo genów, niekoniecznie mających cokolwiek wspólnego z płcią. Ze względu jednak na ich położenie (chromosom płci) mówimy o genach sprzężonych z płcią, (albo o cechach sprzężonych z płcią, gdy mówimy o fenotypowych efektach działania genu).

Cechy sprzężone z płcią, to cechy uwarunkowane genami leżącymi na chromosomie X

Najczęściej spotykane przykłady genów sprzężonych z płcią to:

gen kodujący białko niezbędne do procesu krzepnięcia krwi. Jego zmutowany, recesywny allel odpowiedzialny jest za chorobę zwaną hemofilią, objawiającą się upośledzeniem krzepliwości krwi

- gen zawierający informację o białku niezbędnym do prawidłowego rozróżniania kolorów. Jego zmutowany, recesywny allel odpowiada za wadę wzroku zwaną daltonizmem (nierozpoznawanie barw, najczęściej czerwonego koloru).

Dziedziczenie cech sprzężonych z płcią na przykładzie dziedziczenia hemofilii

Oznaczenia:

H - allel dominujący, prawidłowa wersja genu

h - allel recesywny, uszkodzona (zmutowana) wersja genu

· - brak allelu.

możliwe genotypy i fenotyp kobiety:

kobieta, ma dwa chromosomy X, na każdym z nich posiada allel omawianego genu:

HH - zdrowa

Hh - zdrowa nosicielka

hh - chora na hemofilię - to w zasadzie tylko teoretyczna możliwość, bo prawdopodobieństwo zejścia się dwóch alleli recesywnych jest w tym przypadku nikłe.

możliwe genotypy i fenotypy mężczyzny:

mężczyzna posiada jeden chromosom X, więc posiada tylko jeden allel genu:

H - - zdrowy

h - - chory na hemofilię

Przykładowe krzyżówki ilustrujące zasady dziedziczenia hemofili:

Wniosek: Potomstwo zdrowego mężczyzny i zdrowej kobiety będącej nosicielką recesywnego allelu jest następujące:

- wszystkie córki są zdrowe, ale istnieje 50% szans, że są nosicielkami.

- istnieje 50% prawdopodobieństwo, że syn urodzony z takiego związku będzie chorował na hemofilię.

Jak widać cechy sprzężone z płcią są przekazywane następnym pokoleniom przez kobiety - nosicielki, natomiast ujawniają się znacznie częściej u mężczyzn, u których brak drugiego allelu uniemożliwia „zamaskowanie” jego obecności w fenotypie.

Mutacje

Mutacje są to nagłe i trwałe zmiany w materiale genetycznym.

Mutacje mogą zachodzić:

1. w komórkach somatycznych (komórkach ciała) - zmiany dotyczą wtedy tylko wybranej części organizmu i nie są dziedziczone przez potomstwo (np. inna barwa lewego i prawego oka).

2. w komórkach rozrodczych - gametach. Wtedy wszystkie komórki powstałego po zapłodnieniu organizmu posiadają zmienioną informację genetyczną i zmiana ta jest przekazywana następnym pokoleniom, czyli jest to mutacja dziedziczna. Zmutowany allel jest najczęściej recesywny, więc ujawnia się tylko u homozygot recesywnych. Jeśli jest dla organizmu niekorzystny, to najczęściej przekazywany jest następnym pokoleniom przez heterozygoty.

Mutacje mogą wywoływać różne skutki. Często są niekorzystne dla organizmu, ale zdarzają się obojętne lub wręcz korzystne. Te dwie ostatnie możliwości mają duże znaczenie w ewolucji i są przyczyną zmienności organizmów. Mutacje, które prowadzą do śmierci osobnika nazywamy mutacjami letalnymi.

Przyczyny zachodzenia mutacji

I. Mutacje spontaniczne zachodzą samorzutnie, bez udziału żadnych czynników.

II. Mutacje indukowane, czyli wywoływane czynnikami zewnętrznymi. Czynniki te, zwane czynnikami mutagennymi, w zależności od ich natury dzielimy na:

1. czynniki fizyczne:

a) promieniowanie jonizujące - np. promieniowanie X lub gamma - ma największy wpływ na powstawanie mutacji, powoduje rozrywanie cząsteczek DNA

b) promieniowanie UV - jego wpływ jest słabszy, wywołuje błędy podczas procesu replikacji

c) temperatura - zbyt wysoka może spowodować zaburzenia w działaniu enzymów

2. czynniki chemiczne: - iperyt (gaz bojowy zmieniający zasady azotowe, barwniki akrydynowe),

analogi zasad azotowych,( czyli cząsteczki podobne do zasad azotowych, które mogą być włączone w czasie replikacji do budowy nowej nici), kwas azotowy III (HNO2),niektóre węglowodory będące składnikiem dymu papierosowego, nadlenek wodoru, kolchicyna, azbest, pięciobromouracyl, węglowodory aromatyczne, zw. metali ciężkich,

3. czynniki biologiczne: wirusy onkogenne(rak szyjki macicy), bakterie (rośliny)

Mutacje są zjawiskiem naturalnie występującym w przyrodzie. Działanie czynników mutagennych zwiększa prawdopodobieństwo wystąpienia mutacji.

• Rodzaje mutacji i ich skutki

Mutacje mogą zachodzić na różnych poziomach organizacji materiału genetycznego, tym samym skala zmian może też być różna:

I. Mutacje genowe (punktowe)

Polegają na zmianach w sekwencji nukleotydów we fragmencie cząsteczki DNA. Zachodzą najczęściej podczas replikacji DNA. Komórki mają co prawda swoje „systemy naprawcze” i większość pomyłek jest natychmiast naprawiana, ale niektóre z nich pozostają niezauważone. Zmiany mogą polegać na:

1. Zamianie jednego nukleotydu na inny - (np. zamiast adeniny podstawiona zostanie cytozyna). Możliwe skutki to:

a) nowy kodon wyznacza taki sam aminokwas jak poprzedni - wtedy mutacja nie zostanie ujawniona - jest to mutacja milcząca

b) nowy kodon wyznacza inny aminokwas (mutacja zmiany sensu), wtedy skutek zależy od roli aminokwasu:

- jeśli rola nowego aminokwasu w budowie cząsteczki białka jest niewielka, to białko mimo zmiany aminokwasu nadal będzie prawidłowo spełniać swoją funkcję i mutacja nie będzie widoczna

- jeśli nowy aminokwas ma kluczowe znaczenie dla prawidłowej struktury białka, to nie będzie ono mogło prawidłowo pełnić swojej funkcji. Zmiany w organizmie zależą od roli tego związku dla funkcjonowania ustroju - im ważniejsza ta rola, tym bardziej widoczne będą skutki takiej mutacji, z mutacją letalną włącznie (przykładem takiej mutacji może być anemia sierpowata).

c) nowy kodon okaże się kodonem STOP (mutacja nonsensowna) - wtedy synteza cząsteczki białka zostanie w tym miejscu zahamowana i pożądane białko nie powstanie. Skutki, podobnie jak w pkt b, zależą od roli białka.

2. Wypadnięciu (delecji) jednego lub kilku nukleotydów, lub wstawieniu (insercji) dodatkowych. Mutacje takie przeważnie dają łatwo zauważalne skutki, gdyż zmieniają ramkę odczytu, tym samym zmienia się budowa całej cząsteczki białka.

W przykładzie powyżej są to dwa nukleotydy, ale ich liczba może być różna (najczęściej od jednego do kilku). Wstawienie/wypadnięcie trzech nukleotydów nie zmieni ramki odczytu, ale i tak może mieć duży wpływ na budowę cząsteczki białka.

II. Mutacje chromosomowe (strukturalne)

Polegają na zmianie struktury (budowy) chromosomu i dotyczą większej ilości genów. Przeważnie zachodzą podczas podziału komórki - momentem szczególnie niebezpiecznym jest początek mejozy i zachodząca wówczas wymiana odcinków chromatyd między chromosomami homologicznymi (crossing-over). Pękanie fragmentów chromosomów i ich przemieszczanie się spowodować może różne nieprawidłowości - wymieniany kawałek może się źle ułożyć w nowym chromosomie, lub powędrować w zupełnie inne miejsce. W zależności od tego, co się z nim stało, rozróżniamy:

- delecję (deficjencję), czyli wypadnięcie części chromosomu (utrata sporej części genów jest letalna)

- duplikację, czyli podwojenie części chromosomu

- inwersję, czyli odwrócenie fragmentu chromosomu o 180°

- translokację czyli przemieszczenie fragmentu chromosomu na chromosom niehomologiczny

Mutacje chromosomowe dotyczą dużych fragmentów materiału genetycznego, dlatego przeważnie są letalne.

III. Mutacje genomowe (liczbowe)

Polegają na zmianie prawidłowej liczby chromosomów. Przyczyną może być błąd podczas podziału komórkowego polegający na nierozejściu się chromosomów homologicznych. Powstają wtedy gamety, z których po zapłodnieniu może rozwinąć się osobnik o innej od podstawowej liczbie chromosomów. Możliwe scenariusze to:

1. Zmiany liczbowe dotyczą jednej pary chromosomów homologicznych (aneuploidalność):

- trisomia - zamiast pary występują trzy chromosomy homologiczne, w kariotypie jest więc o jeden chromosom za dużo (2n+1)

- monosomia - jeśli zamiast pary jest tylko jeden z chromosomów homologicznych (2n-1).

Powyższe mutacje są u człowieka letalne lub prowadzą do anomalii rozwojowych.

2. Zmiany liczbowe dotyczą wszystkich chromosomów

U roślin spotykamy zjawisko poliploidalności. Polega to na zwielokrotnieniu podstawowej liczby chromosomów (2n) do 3n (triploidalność), 4n (tetraploidalność) itd. Rośliny nie tylko dobrze znoszą takie zmiany, ale wręcz lepiej się rozwijają, są większe i dają wyższe plony. Dlatego hodowla poliploidalnych gatunków zbóż czy ziemniaków od dawna jest stosowana w praktyce rolniczej. U zwierząt i u człowieka poliploidalność nie występuje.

Zestawienie wiadomości o mutacjach

Mutacje genowe (punktowe)	Mutacje chromosomowe (strukturakne)	Mutacje genomowe (liczbowe)
zmiany sekwencji nukleotydów polegające na zamianie nukleotydów: mutacje milczące mutacje zmiany sensu mutacje nonsensowne, polegające na wstawieniu lub wypadnięciu nukleotydów: zmiana ramki odczytu	zmiany struktury chromosomów delecja duplikacja inwersja translokacja	zmiany liczby chromosomów zmiana dotyczy jednej pary chromosomów homologicznych: trisomia (2n+1) monosomia (2n-1) zmiana dotyczy wszystkich chromosomów poliploidalność (3n, 4n, ...)

Choroby dziedziczne człowieka

• Choroby spowodowane mutacjami genowymi

Choroby dziedziczne są skutkiem mutacji w komórkach rozrodczych. Są to najczęściej mutacje genowe, zmieniające jeden gen. Często zachodzą jednorazowo, u bardzo dalekiego przodka, a powstały defekt przenoszony jest z pokolenia na pokolenie. Ponieważ zmutowane allele najczęściej są recesywne, nie ujawniają się u heterozygot. Dopiero traf, że obydwoje rodzice są heterozygotyczni, stwarza niebezpieczeństwo ujawnienia się choroby u ich dzieci (25% prawdopodobieństwa pojawienia się homozygoty recesywnej).

Schemat dziedziczenia typowej choroby będącej skutkiem mutacji genowej:

Od powyższego schematu są wyjątki:

1. Pląsawica Huntingtona jest wywoływana allelem dominującym, a więc osobnik heterozygotyczny jest chory.

2. Hemofilia i daltonizm są cechami sprzężonymi z płcią - zasady ich dziedziczenia omówione zostały w rozdziale 7.

Choroby dziedziczne są przeważnie skutkiem mutacji genowej i dziedziczą się zgodnie z I prawem Mendla.

Ważniejsze choroby będące skutkiem mutacji genowych

Nazwa choroby	Geny ulegające mutacji i sposób dziedziczenia	Objawy
albinizm	mutacja genu kodującego, enzym konieczny do syntezy melaniny cecha recesywna	Brak barwnika (melaniny) w skórze, włosach i tęczówce oka - bardzo jasna karnacja, białe włosy, czerwone tęczówki.
anemia sierpowata	mutacja genu kodującego hemoglobinę (zamiana jednego nukleotydu), cecha recesywna	Nieprawidłowa hemoglobina ma słabe powinowactwo z tlenem. Krwinki z taką hemoglobiną przyjmują nieprawidłowy „sierpowaty” kształt, czopują naczynia krwionośne, a narządy nie otrzymują wymaganej ilości tlenu. Często kończy się śmiercią.
fenyloketonuria	mutacja genu kodującego enzym konieczny przy przemianach aminokwasów (fenyloalaniny), cecha recesywna	Niedorozwój umysłowy, zaburzenia ruchowe (upośledzenie układu nerwowego). Możliwość zapobiegania ujawnieniu się choroby poprzez stosowanie diety ubogiej w fenyloalaninę.
hemofilia	mutacja genu kodującego jeden z czynników krzepliwości krwi, cecha sprzężona z płcią (gen na chromosomie X), recesywna	Nie zachodzi krzepnięcie krwi - zranienia i stłuczenia grożą silnymi krwotokami, aż do śmierci przez wykrwawienie. Współcześnie leczona przez podawanie brakującego czynnika.
mukowiscydoza	mutacja genu odpowiedzialnego za białko transportujące w błonach komórkowych, cecha recesywna	Produkowanie nadmiernej ilości śluzu, szczególnie dotyczy to układu oddechowego - w którym utrudnia wymianę gazową i zwiększa podatność na infekcje oraz pokarmowego, w którym prowadzi do upośledzenia funkcjonowania trzustki i wątroby i w konsekwencji do śmierci. Jedna z częstszych chorób genetycznych.
pląsawica Huntingtona	mutacja genu jednego z białek występujących w mózgu, cecha dominująca	Zaburzenia ze strony układu nerwowego - zaburzenia ruchowe, drgawki, później upośledzenie umysłowe. Choroba zaczyna się rozwijać po 40 roku życia.
daltonizm	mutacja genu odpowiedzialnego za białko receptorowe - odbierające bodźce świetlne, cecha sprzężona z płcią, recesywna	Upośledzone barwne widzenie, najczęściej dotyczy czerwonego koloru.

• Inne choroby spowodowane mutacjami

Mutacje genomowe, co prawda w znakomitej większości letalne, mogą w niektórych przypadkach być powodem poważnych anomalii rozwojowych. Zdarzają się „na bieżąco” przy powstawaniu gamet i jeśli dojdzie do zapłodnienia, rozwinie się osobnik o nieprawidłowej liczbie chromosomów. Choroby te nie są właściwie dziedziczne z tego prostego względu, że osobnicy obarczeni defektem są przeważnie bezpłodni (wyjątkiem może być zespół Downa).

Najczęściej spotykanym skutkiem mutacji genomowej jest zespół Downa - choroba wynikająca z trisomii 21 pary chromosomów. Istnieje bardzo wyraźna zależność pomiędzy wiekiem matki a częstością występowania tej choroby. Im starsza kobieta, tym częściej zdarzają się błędy przy podziale mejotycznym prowadzącym do powstania komórki jajowej i tym częściej rodzą się upośledzone dzieci. Prawdopodobieństwo wzrasta szczególnie po 40 roku życia

Zestawienie chorób będących skutkiem mutacji genomowych

Nazwa choroby	Zmiana genomu	Objawy
zespół Downa	trisomia 21 chromosomu	niski wzrost, upośledzenie umysłowe i fizyczne, charakterystyczne rysy twarzy
zespół Klinefeltera	trisomia chromosomów płci kariotyp XXY	osobnik płci męskiej, kobieca sylwetka, niedorozwój jąder, bezpłodność
zespół Turnera	monosomia chromosomu płci kariotyp XO	osobnik płci żeńskiej, bezpłodność, niski wzrost, upośledzenie umysłowe

Choroba nowotworowa

Choroba nowotworowa polega na nagromadzeniu mutacji w komórkach somatycznych.

Jako wynik nagromadzenia mutacji częściej spotykana jest u ludzi starszych, u których długość życia pozwoliła na kumulację dostatecznej ilości zmian w materiale genetycznym.

Mutacje prowadzące do rozwoju choroby nowotworowej to mutacje genowe, zachodzące podczas replikacji DNA, który to proces poprzedza każdy podział komórki. A więc szczególnie często zachodzą w tych komórkach, które często się dzielą. Komórkami takimi są:

1. Komórki nabłonkowe. Nowotwór złośliwy tych komórek nazywany jest rakiem. Komórki te:

- pokrywają powierzchnię naszego ciała - występuje tu rak skóry i jego szczególnie niebezpieczna postać - czerniak

- wyścielają drogi oddechowe i powierzchnię płuc, przewód pokarmowy - z tych komórek powstać może np. rak płuc, rak żołądka, jelita itp.

- pełnią funkcje gruczołowe - z nich rozwija się rak piersi, prostaty, wątroby 2. Komórki szpiku kostnego produkujące krwinki. Nowotwór tych komórek prowadzi do rozwoju białaczki.

Zachodzenie mutacji w komórkach jest zjawiskiem zupełnie naturalnym. Im dłużej człowiek żyje, tym więcej mutacji gromadzi się w komórkach jego ciała i tym większe jest prawdopodobieństwo rozwinięcia się choroby nowotworowej. Proces ten może zostać przyspieszony poprzez:

- oddziaływanie czynników mutagennych - w tym przypadku zwanych kancerogennymi (lub po prostu rakotwórczymi). Do bardziej znanych czynników należą: promieniowanie UV wywołujące czerniaka skóry czy dym papierosowy odpowiedzialny głównie za raka płuc;

- czynniki dziedziczne - obserwuje się, że w niektórych rodzinach występowanie choroby nowotworowej jest częstsze niż w innych. Odpowiedzialne za to są dziedziczne mutacje w istotnych dla rozwoju nowotworu genach. Osoba obciążona taką wadą ma „krótszą drogę” do rozwoju choroby;

- przebycie niektórych chorób wirusowych - ze względu na specyfikę infekcji wirusowej, polegającej na wbudowywaniu materiału genetycznego wirusa w DNA komórki, możliwa jest jej mutacja, która przyspieszy rozwój choroby nowotworowej. Wiadomo na przykład, że przebycie wirusowego zapalenia wątroby typu B zwiększa prawdopodobieństwo wystąpienia w późniejszych latach raka wątroby.

Przebieg choroby:

1. Pierwszy etap to mutacje w genach sterujących podziałami komórkowymi. Efektem jest przekształcenie się „niewinnych” genów w onkogeny. Dzięki nim komórka bardzo intensywnie dzieli się.

2. Komórki sąsiednie rejestrują fakt, że jedna z nich nieprawidłowo funkcjonuje. Wysyłają sygnały chemiczne, które mają powstrzymać nadmierne podziały, a gdy to nie pomaga, uruchomić w wadliwie funkcjonującej komórce mechanizm zaprogramowanej śmierci (obrazowo mówiąc, mają ją zmusić do samobójstwa w imię dobra organizmu). Przeważnie ten mechanizm zdaje egzamin, ale czasami, dzięki kolejnym mutacjom, niektórym komórkom udaje się zignorować polecenia swoich sąsiadek i rozwijają się nadal.

3. Powstające nowe komórki tracą specjalizację - to znaczy nie przypominają komórek typowych dla tkanki z której powstały, nie pełnią też przewidzianych dla nich funkcji. Uniezależniają się od organizmu.

4. System immunologiczny rozpoznaje obecność wadliwie funkcjonujących komórek i przystępuje do obrony organizmu, podobnie jak w przypadku infekcji wirusowej czy bakteryjnej. Szacuje się, że spora część nowotworów kończy w tym momencie swój rozwój, a człowiek, którego to dotyczyło, nie był nawet świadomy grożącej mu choroby.

5. Jeśli dojdzie do kolejnych mutacji, niektóre komórki mogą nauczyć się „oszukiwać” system odpornościowy. Wtedy nowotwór rozwija się dalej. Tworzy się niewielki guzek. Rak wykryty w tym stadium jest w pełni uleczalny. Na tym etapie kończy się też rozwój nowotworów łagodnych.

6. Następna mutacja powoduje kolejną zmianę zachowania komórek - odrywają się one od pierwotnego guza, dostają do naczyń włosowatych, a następnie wraz z krwią i limfą wędrują po organizmie. Prędzej czy późnej zakotwiczają się w jakimś nowym miejscu i tam inicjują powstawanie nowych guzów, czyli przerzutów. Taki guz nazywany jest guzem złośliwym. Choroba jest zaawansowana, a wycięcie guza pierwotnego nie gwarantuje całkowitego wyleczenia.

7. Jednocześnie guz pierwotny rozrasta się, niszcząc sąsiadujące z nim tkanki lub narządy, w których się rozwija. Tak samo rozrastają się guzy powstałe w wyniku przerzutów. Efekt końcowy to śmierć organizmu.

Profilaktyka i leczenie

Zapobieganie chorobom nowotworowym sprowadza się głównie do unikania czynników rakotwórczych, czyli niepalenia papierosów, unikania słońca w godzinach południowych i stosowaniu kremów z odpowiednimi filtrami UV.

Osoby, u których w rodzinie często występuje choroba nowotworowa mogą skorzystać z poradnictwa genetycznego. Jeśli okaże się, że są nosicielami zmutowanych alleli, powinny częściej poddawać się badaniom profilaktycznym.

Im starsze osoby, tym częściej powinny poddawać się badaniom, aby możliwie jak najwcześniej wykryć zmiany nowotworowe.

Wcześnie wykryta choroba nowotworowa jest w pełni uleczalna.

Osoby, u których choroba została wykryta stosunkowo późno, poza interwencją chirurgiczną polegającą na wycięciu guza pierwotnego poddawane są radioterapii i chemioterapii. Zabiegi te mają na celu ograniczenie podziałów komórkowych i zniszczenie pozostałych w organizmie komórek nowotworowych. Niestety niekorzystnie oddziałują również na zdrowe komórki i dlatego nie mogą być zbyt długo stosowane.

Metody inżynierii genetycznej

Inżynieria genetyczna to techniki stosowane na poziomie molekularnym, pozwalające na ingerencję w genom organizmu.

Techniki te polegają na:

- izolowaniu fragmentów materiału genetycznego z komórki

- wprowadzaniu zmian do informacji genetycznej

- przenoszeniu fragmentów DNA do komórek innego organizmu

- powielaniu (= klonowaniu) genów i całych organizmów.

Efektem stosowania inżynierii genetycznej jest powstawanie genetycznie modyfikowanych organizmów - w skrócie GMO.

• Metody przenoszenia i powielania genów

1. Wszelkie zabiegi na materiale genetycznym muszą rozpocząć się od jego wyizolowania z komórki. Stosuje się tu różne metody, a efektem jest uzyskanie czystych cząsteczek DNA.

2. Cząsteczki DNA są cięte na krótsze kawałki za pomocą enzymów restrykcyjnych. Są to enzymy, które rozpoznają odpowiednie sekwencje DNA i przecinają je w tym miejscu w poprzek. Enzymy te są specyficzne, to znaczy jeden enzym rozpoznaje tylko jedną określoną sekwencję DNA. Większość z nich przecina cząsteczkę w charakterystyczny sposób - pozostawiając tzw. „lepkie końce”

3. Wśród pociętych kawałków DNA muszą zostać znalezione te części, które zawierają poszukiwany gen. Znalezione odpowiednimi metodami fragmenty są izolowane od reszty materiału genetycznego.

4. Uzyskane fragmenty DNA wraz z poszukiwanym genem zostają wprowadzone do komórek modyfikowanego organizmu. Mogą to być komórki bakterii, grzybów, roślin i zwierząt. Sposób wprowadzenia „obcego” DNA zależy od rodzaju „biorcy”, ale zawsze użyty musi być specjalny nośnik zwany wektorem.

Jeśli transformowaną komórką ma być komórka bakterii, jako wektora można użyć plazmidu. Plazmid to niewielkie koliste cząsteczki DNA, charakterystyczne dla bakterii, które łatwo wnikają do wnętrza komórek i tam ulegają autoreplikacji (samopowieleniu).

Wbudowanie obcego genu polega na przecięciu plazmidu tym samym enzymem restrykcyjnym, co cięty poprzednio fragment DNA. Obie cząsteczki posiadają wtedy takie same „lepkie końce”. Następnie mieszane są ze sobą oraz z enzymami umożliwiającymi ich łączenie - tzw. ligazami. Otrzymujemy wtedy nowe, zrekombinowane plazmidy.

Innym często stosowanym wektorem są wirusy. W ich naturze leży wbudowywanie własnego materiału genetycznego do genomu gospodarza. Wystarczy więc odpowiednio zmodyfikowanym wirusom „dokleić” uzyskany wcześniej fragment DNA i zainfekować nimi komórkę.

5. Stosowanie technik inżynierii genetycznej wymaga posiadania odpowiedniej ilości kopii genu, dlatego uzyskane fragmenty DNA, połączone z wektorem, poddaje się klonowaniu (czyli powielaniu). Wykorzystać można do tego celu bakterie, którym podano zrekombinowany plazmid. Bakterie, po odpowiednim przygotowaniu, bardzo łatwo pobierają plazmidy z otoczenia, a następnie wchłonięta cząsteczka ulega autoreplikacji - następuje jej klonowanie.

Coraz częściej stosuje się prostszy sposób powielania fragmentów DNA. Jest to metoda laboratoryjna zwana w skrócie PCR, polegająca na rozdzieleniu podwójnej helisy i dobudowywaniu nici komplementarnej przy udziale polimerazy. Zabieg ten może być powtarzany wielokrotnie, a liczba otrzymanych kopii jest właściwie nieograniczona.

Skutkiem stosowania opisanych technik jest powstawanie organizmów transgenicznych.

Organizm transgeniczny to organizm, któremu wprowadzono obcy fragment DNA.

Organizmy transgeniczne nie są jedynymi organizmami, na których dokonuje się manipulacji genowych - można na przykład pozbawić organizm jakiegoś genu albo wprowadzić ten sam, ale nieco zmieniony.

Wszystkie organizmy, w których dokonano jakiejkolwiek ingerencji w materiał genetyczny, nazywamy organizmami genetycznie modyfikowanymi - w skrócie GMO.

• Klonowanie organizmów

Termin klonowanie odnosi się zarówno do fragmentów DNA, jak i do pojedynczych komórek lub całych organizmów. W każdym przypadku oznacza to powielenie DNA.

Klonowanie organizmów to uzyskiwanie osobników identycznych genetycznie. Osobniki te nazywane są klonami.

W przyrodzie istnieją naturalne klony wszędzie tam, gdzie mamy do czynienia z rozmnażaniem bezpłciowym przez podział, a więc u bakterii, pierwotniaków czy jednokomórkowych glonów. Również rośliny powstałe wskutek rozmnażania wegetatywnego są klonami. U ludzi klonami są bliźnięta jednojajowe, gdyż powstają poprzez rozpad zarodka w pierwszych dniach jego rozwoju. Natomiast nie ma w świecie zwierząt i ludzi naturalnego powielania osobników już istniejących czy wręcz dojrzałych, a właśnie taki sposób klonowania stał się obiektem badań człowieka.

Metoda dzięki której powstała słynna owca Dolly została już wielokrotnie zastosowana. Efektem jest coraz liczniejsza gromada sklonowanych ssaków: od myszy, przez zwierzęta hodowlane po małpy. Procedura wygląda następująco:

1. Pobiera się komórkę jajową od samicy A i usuwa z niej jądro komórkowe.

2. Na miejsce usuniętego jądra wprowadza się inne, pochodzącego z komórki samicy B. To ona będzie sklonowana, gdyż jest dawcą materiału genetycznego. Wprowadzone jądro musi pochodzić z komórki somatycznej - chodzi o to, by było diploidalne.

3. „Oszukana” komórka jajowa zachowuje się tak, jakby została zapłodniona i przekształca się w zarodek.

4. Rozwijający się zarodek umieszcza się w macicy samicy C.

5. Po okresie ciąży samica C rodzi młode, które jest klonem samicy B!

Ta prosta na pozór procedura jest bardzo zawodna - owca Dolly „udała się” dopiero za 277 razem.

Cel klonowania

Klonowanie może mieć zastosowanie wszędzie tam, gdzie chcemy uzyskać identyczne kopie jakiegoś organizmu. Mogą to być zwierzęta hodowlane o szczególnie wysokich walorach użytkowych lub organizmy genetycznie zmodyfikowane (manipulacje genami są skomplikowane stąd łatwiej jest powielać raz „skonstruowany” model niż tworzyć go za każdym razem od nowa). Nie mają natomiast żadnego uzasadnienia pomysły dotyczące klonowania człowieka, a próby takiej działalności są niemoralne.

Osiągnięcia i perspektywy inżynierii genetycznej

• Sekwencjonowanie genomu

Jednym z pierwszych, wymiernych osiągnięć inżynierii genetycznej była możliwość odczytywania genomów różnych organizmów, w tym przede wszystkim człowieka.

Sekwencjonowanie genomu to ustalanie kolejności występowania nukleotydów w DNA.

Pierwsze techniki sekwencjonowania DNA powstały pod koniec lat 70. XX w. Jako pierwszy poznano genom jednego z wirusów, liczący stosunkowo niewielką liczbę nukleotydów. Więcej czasu zajęło odczytywanie DNA wybranych gatunków bakterii. Po długiej przerwie przyszła kolej na drożdże oraz organizmy wielokomórkowe. Równolegle do tych badań prowadzono prace zmierzające do zsekwencjonowania genomu człowieka. W wyniku współpracy genetyków z różnych krajów powstał Projekt Sekwencjonowania Genomu Ludzkiego. W rozszyfrowywanie DNA człowieka zaangażowanych było wiele placówek naukowych na całym świecie, a i tak, ze względu na wielkość genomu, szacowano zakończenie projektu na rok 2025. Ogromny postęp w informatyce i technikach inżynierii genetycznej, który nastąpił pod sam koniec XX w., przyspieszył prace. W lutym 2001 roku ogłoszono ich zakończenie: genom człowieka został odczytany. Nie spełniły się ani nadzieje ani obawy związane z tym faktem. Samo zsekwencjonowanie genomu okazało się dopiero pierwszym krokiem na drodze do jego poznania. Sama kolejność nukleotydów jest niezwykle trudna w interpretacji: nie wiadomo, które fragmenty są genami, a które nie, nie wiadomo też za co odpowiadają poszczególne geny i jaka jest rola odpowiadających im białek. O genomie człowieka wiemy, że:

- liczy 3 miliardy par nukleotydów,

- w jego obrębie występuje około 30 tysięcy genów,

- zaledwie 2% DNA zawiera sekwencje kodujące białko, rola pozostałego DNA nie jest znana.

• Biotechnologia

Biotechnologia to stosowane przez człowieka sposoby wykorzystywania organizmów w celu uzyskiwania różnych produktów.

Procesy biotechnologiczne stosowane od dawien dawna to kiszenie ogórków czy kapusty, produkcja serów, produkcja alkoholu, czyli różnego rodzaju procesy wykorzystujące zjawisko fermentacji. Jako procesy biotechnologiczne można też uznać hodowlę zwierząt czy uprawę roślin.

Współczesna biotechnologia, wykorzystując osiągnięcia inżynierii genetycznej, ma coraz szersze zastosowanie:

1. Produkcja leków i szczepionek

Do produkcji leków i szczepionek wykorzystuje się transgeniczne szczepy bakterii, którym wprowadzono geny kodujące odpowiednie białka np.:

- niektóre hormony - jak insulina czy hormon wzrostu (bakterie otrzymały ludzki gen kodujący białko będące hormonem)

- białka będące czynnikami krzepnięcia krwi - konieczne dla ludzi chorych na hemofilię. Taki sposób pozyskiwania tych białek eliminuje ryzyko zarażenia wirusem HIV

- szczepionka przeciw WZW typu B - całkowicie bezpieczna, gdyż zawiera jedynie antygeny, a nie całe wirusy.

Coraz częściej mówi się o wykorzystaniu do produkcji leków innych organizmów - np. transgenicznych zwierząt hodowlanych, których mleko zawierałoby ludzkie białka, czy owoców, których zjedzenie byłoby jednocześnie szczepieniem przeciw różnym chorobom.

2. Rolnictwo

Osiągnięcia biotechnologii w rolnictwie to wyhodowanie genetycznie modyfikowanych odmian roślin:

- odpornych na działanie herbicydów, szkodników, czy niekorzystnych warunków środowiska (np. niskich temperatur)

- dających większe plony

- mających wyższe walory użytkowe (pomidory i banany o przedłużonej trwałości, truskawki odporne na przemarzanie, kawa o mniejszej zawartości kofeiny).

3. Medycyna

Zastosowanie inżynierii genetycznej w medycynie niesie ze sobą ogromne nadzieje na leczenie chorób wywołanych obecnością zmutowanych alleli. Postępowanie takie zwane „terapią genową” polega na wprowadzeniu do komórek pacjenta prawidłowych genów w miejsce uszkodzonych. Podejmowane próby leczenia tą metodą przyniosły w niektórych przypadkach sukcesy.

Szczegółowa analiza DNA ma coraz szersze zastosowanie w medycynie sądowej do identyfikacji zarówno ofiar, jak i przestępców.

• Perspektywy rozwoju inżynierii genetycznej

Nadzieje:

1. Całkowite poznanie genomu człowieka pozwoli określić przyczynę wielu chorób.

2. Produkowane przez organizmy transgeniczne wysokiej jakości leki i szczepionki staną się powszechnie dostępne na świecie.

3. Uprawa odmian roślin odpornych na szkodniki spowoduje ograniczenie stosowania insektycydów, a tym samym przyczyni się do ochrony przyrody.

4. Wyhodowanie odmian roślin odpornych na działanie różnych niekorzystnych czynników środowiska pozwoli na ich uprawę w miejscach, w których dotychczas nie było to możliwe. Może to przyczynić się do zmniejszenia problemu głodu na świecie.

5. Wprowadzanie wybranych genów do organizmów roślinnych, będących pożywieniem człowieka, może nie tylko podnieść walory użytkowe, ale też rozwiązać problem niedoboru wybranych składników pokarmowych (przykład: wprowadzenie do uprawy „złotego ryżu” zawierającego witaminę A w Azji, gdzie występuje jej deficyt).

6. Hodowanie transgenicznych zwierząt (głównie świń), które mogłyby być dawcami narządów dla człowieka może rozwiązać problem ich niedoboru.

7. Rozwój terapii genowej pozwoli na leczenie wielu nieuleczalnych dziś chorób, również nowotworów.

8. Klonowanie może pozwolić na odtwarzanie populacji ginących zwierząt.

Zagrożenia:

1. Nie można wykluczyć niekontrolowanego rozprzestrzeniania się transgenicznych odmian roślin lub krzyżowania się ich z dzikimi odmianami i tą drogą „uwolnienia” genów spod kontroli. Mogłoby to poważnie zaburzyć równowagę w środowisku i mieć trudne do przewidzenia konsekwencje.

2. Obecność nowych białek w produktach żywnościowych pochodzących z genetycznie modyfikowanych roślin, a w przyszłości zwierząt, może u niektórych osób wywołać reakcje alergiczne. Należy tu pamiętać, że alergie nie są wynikiem szkodliwości jakiegoś składnika, a jedynie reakcją organizmu konkretnego człowieka na daną substancję. Niemniej postulat wyraźnego oznakowania produktów żywnościowych powstałych z GMO jest całkowicie słuszny.

3. Brak uregulowań prawnych dotyczących postępowania z ludzkim genomem (m.in. w Polsce) stwarza niebezpieczeństwo niekontrolowanych manipulacji.

---