Genetyka jako nauka.

Wraz z rozwojem nauk biologicznych powstałą nauka badającą zjawiska dziedziczności i zmienności, ktora okreslono mianem genetyki (od grec. genetes = zrodzony). Podstawowe prawa dziedziczenia odkryte zostaly za sprawa Grzegorza Mendla - przeora klasztoru augustynianow w Brnie na Morawach. Praca Mendla zostala opublikowana 1865 roku, lecz przeszla calkowicie bez echa. Dopiero w 1900 roku, dzieki trzem uczonym H. de Vriesa, C. Corrensa i E. Tschermaka, dzielo Mendla stalo sie podstawa wspolczesnej genetyki. Natomiast odkrycie struktury DNA w 1953 (J.D. Watson i F. Crick) stworzylo podwaliny dla nowego kierunku w genetyce - genetyki molekularnej.

Umiejetnosc manipulowania genami stala sie jednym z najwazniejszych osiagniec naukowych XX wieku. Na przestrzeni ostatniego stulecia genetyka wkroczyla w praktycznie kazda dziedzine biologii, aby stac sie jej nieodzwnym narzedziem. Nowe zastosowania technik inzynierii genetycznej beda mialy w przyszlosci olbzymie znaczenie, zwlaszcza w medycynie i rolnictwie.

Wspolczesna genetyke mozna podzielic na dwa kierunki:

• genetyke klasyczna, wykorzystujaca glownie osiagniecia Mendla,

• genetykę molekularna, badajaca zagadnienie dziedziczenia na poziomie molekularnym.

Dziedzicznosc i zmiennosc.

Dziedziczenie to cecha istot zywych. Organizmy rodza sie i umieraja, lecz zycie na Ziemi trwa juz miliony lat. Zawdzieczamy to zdolnosci organizmow do rozmnazania sie. W procesie rozmnazania cechy rodzicow przekazywane sa potomstwu. Wiadomo jednak, ze ze skojarzenia dwoch osobnikow danego gatunku powstanie potomstwo wlasnie tego gatunku, a nie innego - te wlasnie ceche nazywamy dziedzicznoscia.

DZIEDZICZNOSC
Przekazywanie cech rodzicow potomstwu. Cechy te sa swoiste dla danych gatunkow i kodowane w DNA przekazywanym w procesie rozmnazania. Od wiekow zastanawiano sie dlaczego dzieci sa podobne do swoich rodzicow. Niemiecki lekarz i filozof - Paracelsus (1493-1541) twierdzil, ze czynnikiem dziedzicznym jest krew (stad okreslenie: "konie czystej krwi"). Pozniej sadzono, ze za dziedziczenie cech odpowiadaja bialka. Przez dluzszy czas poddawano watpliwosci fakt, ze czynnikiem dziedzicznym moga byc kwasy nukleinowe ze wzgledu na ich prosta strukture. Dopiero w 1944 roku O.T.Avery. M.MacLeod i M.McCarty udowodnili, ze to wlasnie DNA jest nosnikiem informacji genetycznej.

Obserwujac potomstwo wiekszosci istot zywych nie trudno jest spostrzec, ze jego podobienstwo do rodzicow nie jest absolutne. Potomstwo jednej pary rozni sie, zarowno miedzy soba, jak i od swoich rodzicow - roznice te okreslamy mianem zmiennosci.

Podstawowe terminy genetyki klasycznej

ALLEL
O ile gen jest struktura DNA, odpowiedzialna za wyksztalcenie cechy, to allel jest realizacja tego abstrakcyjnego pojecia. Jeden gen moze wystepowac w kilku formach; rozne formy genow, beda odpowiedac za wyksztalcenie roznych cech fenotypowych. Kazda z tych form bedzie allelem. W diploidalnym organizmie wystepuja zawsze dwa allele danego genu (nie musi to dotyczyc genow na chromosomie plci oraz nie dotyczy gamet).

HOMOZYGOTA I HETEROZYGOTA
Jezeli na chromosomach homologicznych organizmu diploidalnego (2n) wystepuja takie same allele danego genu to organizm taki bedzie homozygota, jezeli natmiast beda to rozne dwa allele to bedzie on heterozygota.

RECESYWNOSC I DOMINACJA
Jezeli w heterozygoce jeden z alleli oznaczymy jako A natomiast drugi jako a to wszystkie kombinacje mogace wystapic w diploidalnym (2n) organizmie to:

• AA

• Aa

• aa

Jezeli teraz zalozymy, ze allel A fenotypowo przejawia sie jako "cecha A", natomiast allel a odpowiedzialny jest za "ceche a" to:

• homozygotyczny uklad AA bedzie odpowiedzialny za przejawienie sie "cechy A",

• natomiast u homozygot aa przejawi sie "cecha a",

Niech nastepnym zalozeniem bedzie to, ze "cecha A" jest wynikiem dzialania "enzymu A", zas "cecha a" to wynik jego braku. W takim przypadku u heterozygoty (uklad Aa) zaobserwujemy "ceche A" pomimo obecnosci allelu a. Mozemy wiec powiedziec, ze allel A jest dominujacy wzgledem a, poniewaz potrafi maskowac jego obecnosc. Allel a jest wzgledem A recesywny.

Chromosom submetacentryczny:
1 - chromatyda 2 - centromer - miejsce złączenia dwóch chromatyd 3 - ramię krótkie 4 - ramię długie

Kolejne stopnie upakowania materiału genetycznego.

Chromosom - forma organizacji materiału genetycznego wewnątrz komórki. Nazwa pochodzi z greki, gdzie χρῶμα (chroma, kolor) i σῶμα (soma, ciało). Chromosomy rozróżniano poprzez wybarwienie.

Chromosomy występują w formie mikroskopijnej struktury najlepiej widocznej w metafazie podziału komórkowego, kiedy to są najbardziej skondensowane. Chromosomy są zbudowane z dwóch chromatyd siostrzanych (podłużnych jego części) połączonych w jednym punkcie centromerem (wyjątkiem są chromosomy powstałe po pęknięciu centromeru w trakcie podziału jądra komórkowego - pod koniec metafazy). U organizmów prokariotycznych chromosom stanowi pojedyncza, kolista cząsteczka DNA natomiast u organizmów eukariotycznych liniowa cząsteczka DNA. Każda cząsteczka DNA buduje jedną chromatydę.

Zarówno u prokariotów jak i eukariontów chromosomy zbudowane są z kompleksu DNA i białek histonowych lub histonopodobnych (u prokariotów). W komórkach organizmów prokariotycznych i niektórych eukariotycznych (drożdże, pierwotniaki) występują również nieosłonięte, koliste cząsteczki DNA zwane plazmidami.

U organizmów eukariotycznych chromosomy z obu stron zakończone są powtarzającą się sekwencją nukleotydów tworzących telomer. Skracanie telomerów podczas podziałów komórki być może prowadzi do starzenia się komórki.

Locus (l. mnoga loci; czyt. lokus, loci) to miejsce na chromosomie gdzie zlokalizowany jest gen.

Struktura chromosomu nie jest niezmienna, podlega on bowiem zmianom zwanym mutacjami. Mutacje dotyczące bezpośrednio chromosomów to aberracje chromosomowe lub mutacje genomowe.

Chromosomy dzielą się na autosomy - zawiadujące dziedziczeniem cech nie sprzężonych z płcią, oraz chromosomy płciowe - czyli allosomy lub heterosomy, których obecność przejawia się u konkretnej płci i w wielu przypadkach determinuje ją.

Liczba chromosomów może być różna (np. 1 para) aż do 100 par, ale zazwyczaj wynosi kilka do kilkudziesięciu par (4 pary u muszki owocowej, 20 par u myszy, 23 pary u człowieka, 24 pary u szympansa, 39 u psa). Liczba autosomów jest cechą charakterystyczną gatunku, a jej fluktuacje prowadzą do powstawania nowych gatunków (patrz: specjacja).

Komórki mogą być:

• haploidalne - zawierać pojedynczą kopię każdego z autosomów oraz kopie allosomów (chromosomów płciowych) własnej płci.

• poliploidalne - zawierać podwójną i większą kopię każdego z autosomów oraz kopie allosomów własnej płci.

U gatunków rozmnażających się bezpłciowo każda komórka organizmu ma tę samą liczbę chromosomów.

U gatunków rozmnażających się płciowo występują komórki zarówno haplo- jak i diploidalne. W przypadku wielu organizmów, w tym zdecydowanej większości kręgowców, liczba chromosomów w komórkach somatycznych jest dwa razy większa (diploidalna) niż w gametach (haploidalna). Do powstania haploidalnych gamet dochodzi w wyniku mejozy. Podział komórek somatycznych (diploidach) zachodzi na drodze mitozy, w której najpierw dochodzi do podwojenia materiału genetycznego.

W przypadku innych organizmów, takich jak np. rośliny lądowe, występuje przemiana pokoleń - pokolenie haploidalne występuje po pokoleniu diploidalnym. Są one przeważnie bardzo od siebie odmienne.

Innym przypadkiem są błonkówki, u których samice są diploidalne, a samce haploidalne.

Ze względu na położenie centromeru wyróżnia się chromosomy:

• metacentryczne

• submetacentryczne

• akrocentryczne

• telocentryczne

Chromosomy człowieka [edytuj]

U człowieka występują 22 pary autosomów (ponumerowanych od największego do najmniejszego) i 1 para chromosomów płciowych (u kobiet złożona z dwóch chromosomów X, u mężczyzny z chromosomu X i chromosomu Y). Ponadto w ludzkich komórkach znajduje się jeszcze DNA mitochondrialne, mieszczące się w mitochondriach. Wszystkie ludzkie chromosomy zostały zsekwencjonowane w ramach projektu poznania ludzkiego genomu. Mutacje genomowe powodują zaburzenia genetyczne lub zespoły chorobowe, takie jak zespół Downa, zespół Turnera, zespół Klinefeltera i inne.

Chromosom	Liczba genów	Wielkość w parach zasad	Poznane zasady†
Chromosom 1	2968	245,203,898	218,712,898
Chromosom 2	2288	243,315,028	237,043,673
Chromosom 3	2032	199,411,731	193,607,218
Chromosom 4	1297	191,610,523	186,580,523
Chromosom 5	1643	180,967,295	177,524,972
Chromosom 6	1963	170,740,541	166,880,540
Chromosom 7	1443	158,431,299	154,546,299
Chromosom 8	1127	145,908,738	141,694,337
Chromosom 9	1299	134,505,819	115,187,714
Chromosom 10	1440	135,480,874	130,710,865
Chromosom 11	2093	134,978,784	130,709,420
Chromosom 12	1652	133,464,434	129,328,332
Chromosom 13	748	114,151,656	95,511,656
Chromosom 14	1098	105,311,216	87,191,216
Chromosom 15	1122	100,114,055	81,117,055
Chromosom 16	1098	89,995,999	79,890,791
Chromosom 17	1576	81,691,216	77,480,855
Chromosom 18	766	77,753,510	74,534,531
Chromosom 19	1454	63,790,860	55,780,860
Chromosom 20	927	63,644,868	59,424,990
Chromosom 21	303	46,976,537	33,924,742
Chromosom 22	288	49,476,972	34,352,051
Chromosom X	1184	152,634,166	147,686,664
Chromosom Y	231	50,961,097	22,761,097
nieprzypisane	?	25,263,157	25,062,835

Pojecie i struktura genu

Wiele sie obecnie mowi o genach, o tym, ze ktos wyizolowal, zsekwncjonowal, a nawet opatentowal gen. Jednak tak na prawde wiele osob nie zdaje sobie sprawy czym wlasciwie jest gen (niektorzy uwazaja nawet, ze jest to substancja, ktora mozna wyizolowac z organizmow zywych).

Aby przyblizyc pojecie genu mozna przytoczyc nastepujaca definicje:
Gen jest to strukturalna jednostka DNA odpowiedzialna za wyksztalcenie okreslonej cechy. Innymi slowy mowiac jest to fragment DNA, zawierajacy sekwencje kodujace odpowiedni polipeptyd lub RNA. Ale obok wlasciwych odcinkow kodujacych w sklad genu wchodzi wiele innych sekwencji odpowiedzialnych za prawidlowa ekspresje informacji

Aby dobrze zrozumiec sposob w jaki informacja genetyczna wedruje od DNA do bialek nalezy dokladniej przyjrzec sie budowie genow. Nie mozliwe jest jednak poznanie struktury nie znajac funkcji poszczegolnych jej elementow. Dlatego tez czytajac rozdzialy dotyczace budowy genow nie nalezy zapominac, ze tworza one nierozerwalna calosc z dalszymi, opisujacymi poszczegolne etapy ekspresji informacji dziedzicznej.

Struktura genu prokariotycznego

Gen prokariotyczny tworza:

• promotor,

• miejsce rozpoczecia i terminacji transkrypcji,

• miejsce przylaczenia sie rybosomu,

• wlasciwa sekwencja kodujaca ograniczona miejscem rozpoczecia i zokonczenia translacji,

Promotor jest obszarem odpowiadajacym za wiazanie sie polimerazy RNA - enzymu odpowiadajacego za transkrypcje (czyli przepisywanie informacji z DNA na RNA). Sekwencje promotorowe moga byc specyficzne dla roznych polimeraz RNA. Przed promotorem (czyli blizej konca 5') moga znajdowac sie sekwencje odpowiedzialne za wiazanie innych bialek biorocych udzial w transkrypcji (tzw. czynnikow transkrypcyjnych)

Po przylaczeniu sie polimerazy RNA do promotora transkrypcja zaczyna sie od ustalonego miejsca, i jest kontynuowana az do napotkania terminatora. Zwykle terminatorem jest fragmeny DNA, ktory tworzy strukture "szpilki do wlosow".

Pomiedzy miejscem inicjacji transkrypcji a jej terimnatorm, znajduje sie najwazniejszy obszar w obrebie genu - wlasciwa sekwencja kodujaca (tzw. ramka odczytu). Srednia jej dlugosc wynosi ok. 1000 nukleotydow, co odpowiada ponad 300 aminokwasom (zobacz - kod genetyczny). Przed ramka odczytu znajduje sie jeszcze jedna bardzo wazna sekwencja, ktora odpowiada za przylaczanie sie struktury bedacej posrednikiem w tlumaczeniu kolejnych nukleotydow na jezyk aminokwasow (rybosom). Nalezy jednak pamietac, ze przylaczenie sie rybosomu nastepuje dopiero po przepisaniu DNA na mRNA.

Analizujac strukture genu, zarowno prokariotycznego jak i eukariotycznego, nalezy, rowniez zapoznac sie z kolejnymi etapami ekspresji informacji genetycznej, czyli:

• transkrypcji

• potranskrypcyjnej obrobki pre-mRNA

• translacji

Struktura genu eukariotycznego

Gen eukariotyczny sklada sie z nastepujacych elementow:

• sekwencje wzmacniacza - enhancery (od ang. enhancer),

• promotor,

• miejsca inicjacji i terminacji transkrybcji,

• wlasciwa sekwencje kodujaca, ograniczona mejscami poczatku i konca translacji.

Promotor, podobnie jak w przypadku organizmow prokariotycznych, polozony jest w kierunku 5' w stosunku do miejsca inicjacji transkrypcji. Waznym jego elementem jest sekwencja TATA (ang. TATA-box), ktora odpowiada za inicjacje tworzenia kompleksu bialek transkrypcyjnych. W przeciwienstwie do promotorow, elementy genu odpowiedzialne za terminacje trasnkrypcji nie zostaly jeszcze dokladnie poznane.

Czesto w okolicach promotora (ale nie tylko tam) wystepuja specjalne sekwencje odpowiadajace za stymulacje transkrypcji - tzw. enhancery.

Miedzy promotorem a sekwencjami terminalnymi znajduje sie wlasciwy obszar kodujacy. W odroznieniu od organizmow prokariotycznych geny eukariotyczne charakteryzuja sie nieciegla struktura. Znaczy to, ze odcinki kodujace, tzw. eksony, wystepuja na zmiane z obszarami niekodujacymi tzw. intronami. Sekwencje intronowe ulegaja transkrypcji, lecz w trakcie obrobki matrycowego RNA, zostaja wycinane. Dokladna funkcja intronow nie jest poznana, ale wiadomo np.,ze w niektorych z nich znajduja sie sekwencje enhancerowe.

W genach organizmow eukariotycznych, w przeciwienstwie do genow prokariotycznych, nie wystepuja specjalne sekwencje, ktore odpowiadalyby za wiazanie rybosomow. U Eukariota struktura, do ktorej dolacza sie rybosom jest dosyntetyzowana pozniej - przy potranskrypcyjnej obrobce pre-mRNA.

Analizujac strukture genu, zarowno prokariotycznego jak i eukariotycznego, nalezy, rowniez zapoznac sie z kolejnymi etapami ekspresji informacji genetycznej, czyli:

• transkrypcji,

• potranskrypcyjnej obrobki pre-mRNA,

• translacji

---