Genetika: definicija, geni in načela dednosti (zgodovina Mendla)

Živa bitja so sestavljena iz milijonov majhnih samostojnih delov, imenovanih celice. V vsaki celici so dolge in zapletene molekule, imenovane deoksiribonukleinska kislina. V DNK so shranjene informacije, ki celicam sporočajo, kako ustvariti to živo bitje. Deli teh informacij, ki določajo, kako ustvariti majhen del ali značilnost živega bitja - rdeče lase, modre oči ali nagnjenost k višini -, so znani kot geni.

Vsaka celica v istem živem bitju ima enako DNK, vendar je v vsaki celici uporabljen le del DNK. Na primer, nekateri geni, ki določajo, kako izdelati dele jeter, so v možganih izklopljeni. Geni, ki se uporabljajo, se lahko sčasoma tudi spreminjajo. Na primer, veliko genov, ki jih otrok uporablja na začetku nosečnosti, se pozneje ne uporablja več.

Človek ima dve kopiji vsakega gena, eno od matere in eno od očeta. V enem genu je lahko več vrst, ki dajejo različna navodila: ena različica lahko povzroči, da ima oseba modre oči, druga pa rjave. Te različne različice se imenujejo aleli gena.

Ker ima živo bitje dve kopiji vsakega gena, ima lahko hkrati dva različna alela. Pogosto je eden od alelov dominanten, kar pomeni, da je živo bitje videti in se obnaša, kot da bi imelo samo ta alel. Neizražen alel se imenuje recesivni. V drugih primerih se pojavi nekaj vmesnega med obema možnostma. V tem primeru se oba alela imenujeta ko-dominantna.

Na večino značilnosti, ki jih lahko opazimo pri živih bitjih, vpliva več genov. In veliko genov ima na telo več učinkov, saj njihovo delovanje ne bo imelo enakega učinka v vsakem tkivu. Večkratni učinki enega gena se imenujejo pleiotropizem. Celoten sklop genov imenujemo genotip, skupni učinek genov na telo pa fenotip. To so ključni pojmi v genetiki.

Predmendelovske ideje

Vemo, da je človek začel vzrejati domače živali že zelo zgodaj, verjetno še pred izumom kmetijstva. Ne vemo, kdaj je bila dednost prvič obravnavana kot znanstveni problem. Grki, predvsem Aristotel, so preučevali živa bitja in predlagali zamisli o razmnoževanju in dednosti.

Verjetno najpomembnejša ideja pred Mendlom je bila ideja Charlesa Darwina, ki je imel dve zamisli o pangenezi. Prvi, da se trajne dedne enote prenašajo iz generacije v generacijo, je bil povsem pravilen. Druga je bila njegova zamisel, da se dopolnjujejo z "gemmulami" iz somatskih (telesnih) tkiv. To je bilo povsem napačno in danes v znanosti nima nobene vloge. Darwin je imel prav v eni stvari: vse, kar se zgodi v evoluciji, se mora zgoditi s pomočjo dednosti, zato je natančna znanost o genetiki temeljna za teorijo evolucije. To "parjenje" med genetiko in evolucijo je trajalo več let. Rezultat je bila sodobna evolucijska sinteza.

Mendelova genetika

Osnovna pravila genetike je prvi odkril menih Gregor Mendel okoli leta 1865. Ljudje so že tisočletja preučevali, kako se lastnosti dedujejo s staršev na otroke. Vendar je bilo Mendlovo delo drugačno, saj je svoje poskuse načrtoval zelo skrbno.

Mendel je v svojih poskusih preučeval, kako se lastnosti prenašajo na rastline graha. Križanja je začel z rastlinami, ki so se razmnoževale, in upošteval lastnosti, ki so bile v naravi bodisi/ali (visoke ali nizke). Vzgojil je veliko število rastlin in svoje rezultate izražal številčno. S testnimi križanji je razkril prisotnost in delež recesivnih znakov.

Mendel je rezultate svojega poskusa razložil z dvema znanstvenima zakonoma:

• 1. Dejavniki, ki jih pozneje imenujemo geni, se v običajnih telesnih celicah običajno pojavljajo v parih, vendar se med nastajanjem spolnih celic ločijo. Ti dejavniki določajo lastnosti organizma in se dedujejo od staršev. Ko z mejozo nastanejo gamete, se oba dejavnika ločita. Gameta prejme le enega ali drugega. Mendel je to poimenoval zakon segregacije.
• 2. Aleli različnih genov se ob nastanku gamet ločijo neodvisno drug od drugega. To imenujemo zakon o neodvisni porazdelitvi. Mendel je torej menil, da se različne lastnosti dedujejo neodvisno druga od druge. Zdaj vemo, da to drži le, če geni niso na istem kromosomu, saj v tem primeru niso med seboj povezani.

Mendlovi zakoni so pomagali razložiti rezultate, ki jih je opazil pri svojih rastlinah graha. Pozneje so genetiki odkrili, da njegovi zakoni veljajo tudi za druga živa bitja, celo za ljudi. Mendelove ugotovitve, ki jih je pridobil pri svojem delu na vrtnih rastlinah graha, so pripomogle k vzpostavitvi področja genetike. Njegov prispevek pa ni bil omejen na osnovna pravila, ki jih je odkril. Mendlova skrb za nadzor nad pogoji poskusa in pozornost, ki jo je posvečal številčnim rezultatom, sta postavila standard za prihodnje poskuse. Znanstveniki so z leti spreminjali in izboljševali Mendlove zamisli. Vendar pa znanost o genetiki danes ne bi bila mogoča brez zgodnjega dela Gregorja Mendla.

Med Mendlom in sodobno genetiko

V letih med Mendlovim delom in letom 1900 so se razvili temelji citologije, preučevanja celic. Odkrita dejstva o jedru in celični delitvi so bila bistvena za pravilno razumevanje Mendlovega dela.

1832: Barthélémy Dumortier, ki je prvi opazoval delitev celic v večceličnem organizmu.

1841, 1852: Robert Remak (1815-1865), judovski poljsko-nemški fiziolog, je prvi postavil temelj celične biologije: da celice izhajajo le iz drugih celic. To je pozneje populariziral nemški zdravnik Rudolf Virchow (1821-1902), ki je uporabil znameniti stavek omnis cellula e cellula, kar pomeni vse celice iz drugih celic.

1865: Objavljen je bil članek Gregorja Mendla z naslovom Poskusi o hibridizaciji rastlin.

1876: Oscar Hertwig (1849-1922), nemški biolog, je prvič odkril in opisal mejozo v jajcih morskega ježka.

1878–1888: Walther Flemming in Eduard Strasburger opišeta obnašanje kromosomov med mitozo.

1883: Edouard van Beneden (1846-1910), belgijski zoolog, je opisal mejozo na ravni kromosomov pri jajčecih glist (Ascaris).

1883: Wilhelm Roux (1850-1924) spoznal pomen linearne strukture kromosomov. Njihova delitev na dve enaki vzdolžni polovici je zagotavljala, da ima vsaka hčerinska celica enak komplement kromosomov. Zato so bili kromosomi nosilci dednosti.

1889: Nizozemski botanik Hugo de Vries predlaga, da se "specifične lastnosti v organizmih dedujejo v delcih" in jih poimenuje (pan)geni.

1890: Weismann (1834-1914), ki je ugotovil, da sta potrebni dve celični delitvi za preoblikovanje ene diploidne celice v štiri haploidne celice, če želimo ohraniti število kromosomov.

1902–1904: Theodor Boveri (1862-1915), nemški biolog, je v vrsti člankov opozoril na skladnost med obnašanjem kromosomov in rezultati, ki jih je dosegel Mendel. Dejal je, da so kromosomi "neodvisne entitete, ki ohranijo svojo neodvisnost tudi v mirujočem jedru ... Kar pride iz jedra, je tisto, kar pride vanj".

1903: Walter Sutton je predlagal, da so kromosomi, ki se segregirajo na mendelovski način, dedne enote. Edmund B. Wilson (1856-1939), Suttonov učitelj in avtor enega najbolj znanih učbenikov biologije, je to poimenoval Sutton-Boverijeva hipoteza.

Na tej točki so se citološka odkritja združila s ponovno odkritimi Mendlovimi idejami in nastala je sinteza, imenovana citogenetika (cyto = celica; genetika = dednost), ki se nadaljuje vse do danes.

Ponovno odkritje Mendlovega dela

V devetdesetih letih 19. stoletja je več biologov začelo izvajati poskuse na področju razmnoževanja in kmalu so Mendlove rezultate podvojili, še preden so prebrali njegove članke. Carl Correns in Hugo de Vries sta bila glavna odkritelja Mendlovih zapisov in zakonov. Oba sta priznala Mendlovo prednost, čeprav je verjetno, da je de Vries svoje rezultate razumel šele, ko je prebral Mendla. Čeprav je bil sprva za ponovno odkritje zaslužen tudi Erich von Tschermak, to ni več sprejeto, ker ni razumel Mendlovih zakonov. Čeprav je de Vries pozneje izgubil zanimanje za mendelizem, so drugi biologi genetiko razvili v znanost.

Mendelove rezultate so ponovili in kmalu so ugotovili genetsko povezanost. William Bateson je v prvih letih morda največ storil za objavo Mendlove teorije. Beseda genetika in druga terminologija izvira iz Batesona.

O Mendelovih eksperimentalnih rezultatih se je pozneje razpravljalo. Fisher je analiziral rezultate razmerja F2 (drugi sin) in ugotovil, da so neverjetno blizu natančnemu razmerju 3 : 1. Včasih se domneva, da je Mendel morda cenzuriral svoje rezultate in da se njegovih sedem lastnosti pojavlja vsaka na ločenem kromosomskem paru, kar je zelo malo verjetno, če bi bile izbrane naključno. Dejansko se geni, ki jih je preučeval Mendel, pojavljajo le v štirih skupinah povezav in le en genski par (od 21 možnih) je dovolj blizu, da kaže odstopanje od neodvisnega razporejanja; tega para Mendel ni preučeval.

Mutacije

Med postopkom replikacije DNK včasih pride do napak. Te napake, imenovane mutacije, lahko vplivajo na fenotip organizma. To pa običajno vpliva na sposobnost organizma, da živi in se uspešno razmnožuje.

Število napak je običajno zelo nizko - 1 napaka na vsakih 10-100 milijonov baz - zaradi "popravljalne" sposobnosti polimeraz DNK. Pri številnih virusih je stopnja napak tisočkrat višja. Ker so odvisni od polimeraz DNK in RNK, ki nimajo sposobnosti popravljanja, je stopnja mutacij pri njih višja.

Procesi, ki povečujejo hitrost sprememb v DNK, se imenujejo mutageni. Mutagene kemikalije povečajo število napak pri replikaciji DNK, pogosto s poseganjem v strukturo parjenja baz, medtem ko UV-sevanje povzroča mutacije s poškodbami strukture DNK. Kemične poškodbe DNK se pojavljajo tudi naravno, celice pa uporabljajo mehanizme popravljanja DNK za popravljanje neskladij in prelomov v DNK - kljub temu pa popravljanje včasih ne uspe vrniti DNK v prvotno zaporedje.

Pri organizmih, ki za izmenjavo DNK in rekombinacijo genov uporabljajo kromosomske križance, lahko napake pri poravnavi med mejozo prav tako povzročijo mutacije. Napake pri križanju so še posebej verjetne, kadar zaradi podobnih zaporedij partnerski kromosomi sprejmejo napačno poravnavo; zaradi tega so nekatere regije v genomih bolj nagnjene k takšnim mutacijam. Te napake povzročijo velike strukturne spremembe v zaporedju DNK - podvojitve, inverzije ali delecije celotnih regij ali naključno izmenjavo celotnih delov med različnimi kromosomi (imenovano translokacija).

Punnettovi kvadrati

Punnettove kvadrate, ki jih je razvil Reginald Punnett, uporabljajo biologi za določanje verjetnosti, da bo imel potomec določen genotip.

Če je B alel za črne lase, b pa alel za bele lase, ima potomec dveh staršev Bb 25 % verjetnost, da bo imel dva alela za bele lase (bb), 50 %, da bo imel po enega (Bb), in 25 %, da bo imel samo alele za črne lase (BB).

Rodovnik

Genetiki (biologi, ki proučujejo genetiko) uporabljajo rodovnike za zapisovanje lastnosti oseb v družini. S temi kartami lahko genetiki preučujejo, kako se določena lastnost deduje od osebe do osebe.

Genetiki lahko s pomočjo rodovnikov predvidijo, kako se bodo lastnosti prenesle na prihodnje otroke v družini. Genetski svetovalci so na primer strokovnjaki, ki delajo z družinami, ki jih lahko prizadenejo genetske bolezni. Pri svojem delu za družino izdelajo rodovnik, ki ga lahko uporabijo za preučevanje, kako se bolezen morda deduje.

Študije dvojčkov

Ker ljudi ni mogoče vzgajati poskusno, je treba človeško genetiko preučevati na druge načine. Eden od novejših načinov je preučevanje človeškega genoma. Drug način, ki je že več let starejši, je preučevanje dvojčkov. Enaka dvojčka sta naravna klona. Ker nosijo enake gene, jih je mogoče uporabiti za raziskovanje, koliko dednost prispeva k posameznim ljudem. Študije z dvojčki so bile zelo zanimive. Če sestavimo seznam značilnih lastnosti, ugotovimo, da se razlikujejo po tem, koliko so posledica dednosti. Na primer:

• Barva oči: popolnoma podedovana
• Teža, višina: deloma podedovana, deloma okoljska
• Kateri jezik govori oseba: povsem okoljski.

Študije potekajo na naslednji način. Vzemite skupino enojajčnih dvojčkov in skupino bratskih dvojčkov. Izmerite jim različne lastnosti. Opravite statistično analizo (na primer analizo variance). To vam pove, v kolikšni meri je lastnost podedovana. Tiste lastnosti, ki so delno podedovane, si bodo pri enojajčnih dvojčkih bistveno bolj podobne. Tovrstne študije se lahko nadaljujejo s primerjavo enojajčnih dvojčkov, ki so odraščali skupaj, z enojajčnimi dvojčki, ki so odraščali v različnih okoliščinah. Tako lahko ugotovimo, koliko lahko okoliščine spremenijo rezultate genetsko enakih ljudi.

Prvi je študije dvojčkov opravil Francis Galton, Darwinov polbrat, ki je bil utemeljitelj statistike. Njegova metoda je bila, da je dvojčke spremljal skozi njihovo življenjsko pot in opravil številne vrste meritev. Čeprav je poznal enojajčne in dvojajčne dvojčke, žal ni cenil dejanske genetske razlike. Sodobne študije dvojčkov so se pojavile šele v dvajsetih letih 20. stoletja.

Genetika bakterij, arhej in virusov je pomembno raziskovalno področje. Bakterije se večinoma delijo z nespolno delitvijo celic, vendar imajo tudi neke vrste spolnost s horizontalnim prenosom genov. Bakterijska konjugacija, transdukcija in transformacija so njihove metode. Poleg tega je zdaj znano celotno zaporedje DNK številnih bakterij, arhej in virusov.

Čeprav so mnoge bakterije dobile generična in specifična imena, na primer Staphylococcus aureus, je celotna zamisel o vrsti precej nesmiselna za organizem, ki nima spola in križanja kromosomov. Namesto tega imajo ti organizmi seve in tako jih določamo v laboratoriju.

Izražanje genov

Izražanje genov je proces, v katerem se dedna informacija v genu, zaporedje baznih parov DNK, pretvori v funkcionalni genski produkt, kot je beljakovina ali RNK. Osnovna ideja je, da se DNK prepiše v RNK, ki se nato prevede v beljakovine. Beljakovine tvorijo številne strukture in vse encime v celici ali organizmu.

V procesu izražanja genov je mogoče modulirati (prilagoditi) več korakov. To vključuje tako transkripcijo in prevajanje kot tudi končno zloženo stanje beljakovine. Regulacija genov vklaplja in izklaplja gene ter tako nadzoruje diferenciacijo celic in morfogenezo. Regulacija genov je lahko tudi podlaga za evolucijske spremembe: nadzor nad časom, lokacijo in količino izražanja genov lahko močno vpliva na razvoj organizma. Izražanje gena se lahko v različnih tkivih zelo razlikuje. To imenujemo pleiotropizem, ki je v genetiki zelo razširjen pojav.

Alternativno spajanje je sodobno odkritje velikega pomena. Gre za proces, pri katerem se iz enega gena lahko sestavi veliko število različic proteinov. En določen gen Drosophile (DSCAM) se lahko alternativno spoji v 38.000 različnih mRNA.

Epigenetika in nadzor razvoja

Epigenetika je študija sprememb v delovanju genov, ki niso posledica sprememb v zaporedju DNK. Je študija izražanja genov, načina, kako geni povzročajo fenotipske učinke.

Te spremembe v aktivnosti genov lahko ostanejo do konca življenja celice in lahko trajajo tudi v več generacijah celic, ki se delijo. Vendar se zaporedje DNK v organizmu ne spremeni. Namesto tega nededni dejavniki povzročijo, da se geni organizma obnašajo (izražajo) drugače.

Geni Hox so kompleks genov, katerih beljakovine se vežejo na regulatorne regije ciljnih genov. Ciljni geni nato aktivirajo ali zavirajo celične procese in tako usmerjajo končni razvoj organizma.

Zunajjedrna dednost

Nekatere vrste dednosti potekajo zunaj celičnega jedra. Običajno se deduje od obeh staršev prek kromosomov v jedru oplojene jajčne celice. Obstajajo tudi druge vrste dedovanja.

Dednost organelov

Mitohondriji in kloroplasti imajo nekaj lastne DNK. Njihovo sestavo določajo geni v kromosomih in geni v organelu. Carl Correns je leta 1908 odkril en primer. Rastlina Mirabilis jalapa, ki raste ob štirih urah, ima liste, ki so lahko beli, zeleni ali pisani. Correns je odkril, da cvetni prah nima vpliva na to dedovanje. O barvi odločajo geni v kloroplastih.

Kužna dednost

To je posledica simbiotičnega ali parazitskega odnosa z mikroorganizmom.

Učinek matere

V tem primeru se prepišejo jedrni geni v ženski gameti. Produkti se kopičijo v citoplazmi jajčeca in vplivajo na zgodnji razvoj oplojenega jajčeca. Zvijanje polža Limnaea peregra je določeno na ta način. Desno zavite lupine so genotipa Dd ali dd, medtem ko so levo zavite lupine dd.

Najpomembnejši primer materinega učinka je Drosophila melanogaster. Beljakovinski produkti genov z materinskim učinkom aktivirajo druge gene, ti pa aktivirajo še več genov. Za to delo je bila leta 1995 podeljena Nobelova nagrada za fiziologijo ali medicino.

V sodobnih raziskavah se velikokrat uporablja mešanica genetike, celične biologije in molekularne biologije. Teme, za katere so bile podeljene Nobelove nagrade za kemijo ali fiziologijo, vključujejo:

• Alternativno cepljenje, pri katerem en gen kodira različne sorodne beljakovinske izdelke.
• Genomika, zaporedje ter analiza delovanja in strukture genomov.
• Genski inženiring, spreminjanje genoma organizma z biotehnologijo.
• Mobilni genetski elementi, vrste DNK, ki lahko spremenijo položaj v genomu.
• Horizontalni prenos genov, pri katerem organizem dobi genski material od drugega organizma, ne da bi bil potomec tega organizma.

Genetika človeškega vedenja

Veliko znanih motenj človeškega vedenja ima genetsko komponento. To pomeni, da so deloma posledica njihovega dedovanja ali pa je verjetnost, da se bo težava pojavila, večja. Primeri vključujejo:

• Avtizem
• ADHD (motnja pozornosti)
• Uporaba in zloraba drog
• Prevzemanje tveganja
• Shizofrenija

Na normalno vedenje močno vpliva tudi dednost:

• Učenje in kognitivne sposobnosti
• Osebnost

·          

·          

• ENCODE: popolna analiza človeškega genoma
• Gensko zdravljenje