Genetyka

Genetyka to nauka o dziedziczności i zmienności organizmów, które są oparte na informacji zawartej w podstawowych jednostkach dziedziczności - genach. (genom)

Za prekursora genetyki uważa się czeskiego zakonnika Grzegorza Mendla.
Sformułował on podstawowe zasady dziedziczności, tak zwane prawa Mendla.

Pod nazwą genetyka występuje cała grupa nauk:

• genetyka na poziomie molekularnym - badanie DNA, RNA, mechanizmów transkrypcji itd.

• na poziomie osobników - jak różne geny i interakcje między nimi oddziałują na fenotyp

• na poziomie populacji - genetyka populacyjna

• genetyka człowieka - genetyka medyczna

Kroki milowe w rozwoju genetyki:

• 1859 Karol Darwin publikuje O powstawaniu gatunków

• 1865 odkrycie zasad dziedziczenie przez Mendla

• 1901 ponowne odkrycie zasad dziedziczenia, niezależnie, przez Corrensa, Tschermaka i de Vriesa.

• 1903 Hugo de Vries odkrywa mutacje.

• 1903 odkrycie, że za proces dziedziczenia odpowiedzialne są chromosomy, niezależnie przez: Waltera Suttona i Theodora Boveri.

• 1910 odkrycie, że chromosomy składają się z genów

• 1913 pierwsza mapa genowa ukazuje geny ułożone liniowo na chromosomie - Alfred H. Sturtevant i Thomas Morgan.

• 1927 zmiany fizyczne w obrębie chromosomów zostają skorelowane z mutacjami - Thomas Morgan.

• 1928 Frederick Griffith odkrywa transformację.

• 1931 Crossing over jest przyczyną rekombinacji

• 1944 Oswald Theodore Avery, Colin McLeod i Maclyn McCarty otrzymują wynik sugerujący, że to DNA, a nie białka, jest nośnikiem dziedziczności w ekserymencie Griffitha.

• 1944 Erwin Schrödinger, na podstawie czysto teoretycznych rozważań, proponuje molekularny mechanizm dziedziczności, tzw. kryształ aperiodyczny. W przyszłości zostało potwierdzone, że DNA ma właściowści przewidziane przez Schrödingera.

• 1950 zasada Chargaffa: ilość adenin w DNA równa się ilości tymin, ilość guanin równa się ilości cytozyn. Odkrycie to miało fundamentalne znaczenie dla oznaczenia struktury DNA.

• 1952 Martha Chase i Alfred Hershey potwierdzają, że DNA jest nośnikiem dziedziczności.

• 1953 James Watson i Francis Crick, bazując na danych dyfrakcji promieni X otrzymanych przez Rosalind Franklin i zasadzie Chargraffa rozwiązują strukturę przestrzenną DNA. Model ten w naturalny sposób implikuje molekularny mechanizm dziedziczności.

• 1961 odkrycie zasad kodu genetycznego przez Holley'a, Khoranę i Nirenberga.

• 1977 opracowanie metody sekwencjonowania DNA przez zespoły badawcze Waltera Gilberta i Fredericka Sangera.

• 1986 Walter Gilbert i James Watson proponują ideę zsekwencjonowania genomu człowieka. Gilbert, argumentując, że technologia sekwencjonowania DNA rozwija się z prawem Moore'a, przewiduje, że genom zostanie zsekwencjonowany około roku 2000.

• 1997 sekwencjonowanie pierwszego genomu

• 18 maja 2000 Nature publikuje artykuł zawierający dokładne dane na temat budowy chromosomu 21 u człowieka

• 2001 powstają pierwsze szkice sekwencji ludzkiego genomu w wyniku rozpoczęcia prac Human Genome Project

• 2003 międzynarodowe konsorcjum naukowców ogłosiło oficjalne zakończenie prac nad poznaniem genomu ludzkiego

Gen - to wyróżniony funkcjonalnie ciąg nukleotydów w łańcuchu DNA genomu (lub RNA u niektórych wirusów).
Pojedynczy gen koduje za pośrednictwem mRNA pojedynczy łańcuch polipeptydowy lub jedną cząsteczkę RNA innego rodzaju - np. tRNA, rRNA lub inny rybosom. W skład wielu białek wchodzi więcej niż jeden łańcuch polipeptydowy - są zatem kodowane przez więcej niż jeden gen. Gen traktowany jest często jako najmniejsza jednostka dziedziczności, ale jest to pewne uproszczenie pochodzące z czasów, gdy nie znano struktury DNA i mechanizmów jego replikacji, rekombinacji, transkrypcji i translacji.

Termin "gen" jako określenie jednostki dziedziczności wprowadził Wilhelm Johannsen w 1909 roku.

Choroby genetyczne (gr. genetes = rodzic, zrodzony), to grupa chorób wywołana mutacjami w obrębie genu lub genów, mających znaczenie dla prawidłowej budowy i czynności organizmu.

Ze względu na rodzaje mutacji wyróżnia się choroby genetyczne niedziedziczące się, które powstają wskutek mutacji DNA tylko w komórkach somatycznych, oraz choroby genetyczne dziedziczące się, wywołane mutacjami istniejącymi we wszystkich komórkach ciała, również w komórkach prapłciowych, odpowiedzialnych za wytwarzanie komórek jajowych i plemników. Od rozległości zmian w materiale genetycznym zależy, czy ma się do czynienia z chorobami spowodowanymi przez aberracje chromosomowe, czy z chorobami, których przyczyną są mutacje punktowe.

Aberracje chromosomowe

Często spotykanymi aberracjami chromosomowymi są trisomie polegające na występowaniu w komórce trzech chromosomów homologicznych zamiast dwóch. Mogą one powstać w wyniku nieprawidłowej segregacji chromosomów w czasie podziału mejotycznego, prowadzącego do powstania gamet (prezygotycznie), lub po zapłodnieniu, a także wskutek nieprawidłowego rozdziału chromosomów podczas mitotycznych podziałów bruzdkowania (postzygotycznie). Aberacje chromosomów mogą wystąpić również jako skutek działania promieniowania jonizującego - aberacje popromienne chromosomów.

U człowieka często spotykane są trisomie trzech z 22 autosomów - 13. (zespół Pataua), 18. (zespół Edwardsa) i 21. (zespół Downa) oraz zaburzenia w liczbie chromosomów płci (w tym trisomia chromosomu X). Innego typu trisomii praktycznie nie obserwuje się, gdyż powodują zbyt głębokie nienormalności, co w efekcie staje się przyczyną obumierania płodu we wczesnych etapach rozwoju zarodkowego.

Zespół Downa

Trisomia chromosomu 21. jest przyczyną wystąpienia tzw. zespołu Downa, dawniej zwanego pospolicie mongolizmem. Osoby z tą wadą mają mongoidalne rysy twarzy, niski wzrost, szczególny układ bruzd na dłoniach, niezborność ruchów i niedorozwój umysłowy, a przy tym pogodne usposobienie. Zespół Downa wykrywa się metodami diagnostyki prenatalnej. Zaobserwowano, że starsze kobiety w większym stopniu są narażone na ryzyko urodzenia dziecka z tą wadą niż kobiety młodsze. U matek, które nie przekroczyły 28. roku życia, z zespołem Downa rodzi się jedno dziecko na tysiąc, u matek czterdziestoletnich częstotliwość ta wynosi jeden do stu, a u starszych nawet jeden do pięćdziesięciu.

Zespół Pataua

Trisomia 13. pary chromosomów. Przykładowe skutki: niedorozwój umysłowy, niezrośnięty otwór międzyprzedsionkowy w sercu, wnętrostwo, szczelina w tęczówce, rozszczep wargi (tzw. zajęcze usta). Rodzi się jedno dziecko z tą chorobą na 5000 zdrowych. Takie dzieci najczęściej umierają w pierwszym roku życia, jedynie kilka procent dożywa 3 lat - spowodowane jest to wewnętrznymi wadami wrodzonymi.

Zespół Edwardsa

Trisomia 18. pary chromosomów. Powoduje niedorozwój umysłowy. Występuje raz na 3000 urodzeń i prowadzi do śmierci w pierwszym roku życia z powodu poważnych nieprawidłowości w budowie wewnętrznej (m.in. niezrośnięty otwór międzyprzedsionkowy). Osoby z zespołem Edwardsa posiadają tylko jedną nerkę o podkowiastym kształcie, co nie przeszkadza w funkcjonowaniu ich organizmu.

Zaburzenia w liczbie chromosomów płci

Wśród chorób genetycznych częste są również zaburzenia w liczbie chromosomów płci. Niektóre z nich, np. dodatkowy chromosom Y u mężczyzn (XYY), trisomia chromosomu X u kobiet (XXX), nie powodują istotniejszych nienormalności: kobiety (jedna na 1000) mają uwydatnione cechy płciowe i niską inteligencję, natomiast mężczyźni (również 1 na 1000) charakteryzują się wysokim wzrostem oraz bywają nadpobudliwi i infantylni. Badania przeprowadzone w więzieniach wykazały, że 1 na 50 skazanych mężczyzn posiada dodatkowy chromosom Y.

Zespół Turnera

Jedną z przyczyn chorób genetycznych jest monosomia, aberracja chromosomowa polegająca na występowaniu jednego chromosomu X, zw. zespołem Turnera. U człowieka występuje 5% zygot, ale tylko jedna na 40 rozwija się dalej. Zespół Turnera dotyka 1 na 3000 kobiet - występuje częściej, gdy matka jest w młodszym wieku. Osoby z tą chorobą posiadają na ciele liczne znamiona barwnikowe. Charakteryzują się również niższym wzrostem, szerokim karkiem i niedorozwojem drugorzędowych cech płciowych (niewykształcone piersi, brak owłosienia łonowego); są bezpłodne.

Zespół Klinefeltera

Inną aberracją chromosomową jest występowanie u mężczyzn dodatkowego chromosomu X (XXY); nie leczona powoduje występowanie tzw. zespołu Klinefeltera, który charakteryzuje nienormalne wydłużenie członów, brak lub ograniczony rozwój drugorzędowych cech płciowych oraz niepłodność spowodowana brakiem spermatogenezy. Występuje on w przybliżeniu u jednego mężczyzny na 1000.

Nadkobieta

Kolejną nondysunkcją chromosomów płci jest występowanie u kobiet dodatkowego chromosomu X(XXX), kobiety nią dotknięte nazywamy nadkobietamy in. metykobietami. Budowa fizyczna zasadniczo bez zmian, jednak jest obniżona płodność. Uczeni nie są zgodni co do zdolności umysłowych.Pojawia się w przybliżeniu u jednej kobiety na 1000.

Delecje

Zespół kociego krzyku

[franc. cri du chat] - wywołany delecją krótkiego ramienia chromosomu 5. Objawy: niepełnosprawność intelektualna (od lekkiej do głębokiej), jasna karnacja, płaczliwość, po porodzie specyficzny płacz dziecka przypominający miauczenie kota.

Mutacje punktowe

Mukowiscydoza

Jedną z częściej występujących chorób genetycznych jest mukowiscydoza wywołana przez recesywne allele położonego na 7. chromosomie genu kodującego białko, które jest niezbędne do zajścia procesu regulacji transportu jonów chlorkowych przez błony cytoplazmatyczne. Brak syntezy tego białka powoduje niewydolność układu oddechowego, polegająca na wytwarzaniu dużych ilości śluzu o dużej lepkości, co sprzyja powstawaniu infekcji. Towarzyszy mu również niewydolność wątroby (u ok. 85% pacjentów). Częstotliwość występowania muskowiscydozy wynosi 1 do 2 tys., a częstość heterozygot (nosicieli) w populacji ocenia się na ok. 1 do 22 nosicieli.

Hemofilia

Jest to choroba recesywna powodująca brak krzepliwości krwi, zwana też krwawiączką albo chorobą królów. Wadliwy gen znajduje się na chromosomie X, dlatego też u mężczyzn nie ma możliwości zdominowania go przez gen z homologicznego chromosomu (mają genotyp XY). Z tego powodu wystarczy, by jedno z rodziców przekazało ten gen dziecku, aby zachorował mężczyzna, lecz w przypadku kobiet oboje rodzice muszą posiadać wadliwy gen.

Dystrofia mięśniowa

Mutacje w pojedynczym genie zlokalizowanym na chromosomie X są przyczyną dystrofii mięśniowych typu Duchenna (DMD) i Beckera (BMD). Szacuje się, że DMD występuje u 1 na 3500 chłopców, ujawniając się w 2-3 roku życia postępującym zanikiem mięśni. BMD ma przebieg łagodniejszy.

Anemia sierpowata

Endemiczną, autosomalną i recesywną chorobą genetyczną jest anemia sierpowata. Powodują ją mutacje punktowe w sekwencji kodującej β-globinę, jedną z podjednostek hemoglobiny. W efekcie tych zmian erytrocyty przyjmują kształt sierpu i ograniczają swoje zdolności do wiązania tlenu.

Mutacje kodonowe

Zespół łamliwego chromosomu X

Jedna z najczęstszych przyczyn uwarunkowanego genetycznie obniżenia poziomu rozwoju intelektualnego. Przyczyną jest powielenie kodonu CGG w genie FMR1 na długim ramieniu chromosomu X, upośledzające tworzenie synaps w mózgu.

Mitoza

Mitoza I: Interfaza II: Profaza III: Prometafaza IV: Metafaza V i VI: Anafaza VII: Telofaza VIII: Cytokineza

Mitoza - proces podziału komórki, któremu towarzyszy precyzyjne rozdzielenie chromosomów do dwóch komórek potomnych. W jego wyniku powstają komórki, które dysponują materiałem genetycznie identycznym z komórką rodzicielską. Jest to najważniejsza z różnic między mitozą a mejozą. Podziały mitotyczne zachodzą między innymi w diploidalnych komórkach somatycznych i w ich rezultacie powstają inne diploidalne komórki somatyczne. Podziały mitotyczne są procesem nieustannie zachodzącym w organizmie, prowadzącym do jego wzrostu i regeneracji. Główne etapy, czyli fazy mitozy w komórkach Eukariotycznych:

Profaza

a. następuje kondensacja chromatyny

b. chromosomy zaczynają być widoczne

c. ujawnia się struktura chromosomu

d. chromatydy ulegają pogrubieniu, widać miejsce ich złączenia (centromer)

e. formuje się wrzeciono podziałowe

f. zanik jąderka

Metafaza

a. rozpad błony jądrowej

b. następuje przyczepienie wrzeciona podziałowego do centromerów

c. chromosomy ustawiają się w płaszczyźnie równikowej komórki, tworząc płytkę metafazową.

Anafaza

a. następuje rozdzielenie chromatyd siostrzanych, powstają chromosomy potomne

b. chromosomy potomne wędrują do przeciwległych biegunów komórki

Telofaza

a. wokół skupisk chromosomów powstaje błona jądrowa

b. wyodrębniają się jądra potomne identyczne z jądrem rodzicielskim

Interfaza - najdłuższa faza życia komórki, etap, w którym komórka rośnie, syntetyzuje białka strukturalne i enzymatyczne, RNA i DNA. Interfaza poprzedza proces mitozy. W jej środkowym stadium, zwanym fazą S (od synthezis = synteza) dochodzi do podwojenia liczby chromosomów i powstania chromatyd siostrzanych.

---