Geneetika

DNA

Elusad asjad koosnevad miljonitest pisikestest iseseisvatest komponentidest, mida nimetatakse rakkudeks. Iga raku sees on pikad ja keerulised molekulid, mida nimetatakse desoksüribonukleiinhappeks. DNA talletab teavet, mis ütleb rakkudele, kuidas seda elusolendit luua. Selle teabe osi, mis ütlevad, kuidas teha elusolendi üht väikest osa või omadust - punased juuksed või sinised silmad või kalduvus olla pikk - nimetatakse geenideks.

Igal rakul ühes ja samas elusolendis on sama DNA, kuid igas rakus kasutatakse ainult osa sellest. Näiteks mõned geenid, mis ütlevad, kuidas teha maksaosi, on ajus välja lülitatud. Samuti võib aja jooksul muutuda, milliseid geene kasutatakse. Näiteks kasutab laps raseduse alguses palju geene, mida hiljem ei kasutata.

Inimesel on igast geenist kaks koopiat, üks emalt ja teine isalt. Ühest geenist võib olla mitu tüüpi, mis annavad erinevaid juhiseid: üks versioon võib põhjustada inimesele sinised silmad, teine võib põhjustada pruunid silmad. Neid erinevaid versioone nimetatakse geeni alleelideks.

Kuna elusolendil on igast geenist kaks koopiat, võib tal olla korraga kaks erinevat alleeli. Sageli on üks alleel domineeriv, mis tähendab, et elusolend näeb välja ja käitub nii, nagu oleks tal ainult see üks alleel. Väljendamata alleeli nimetatakse retsessiivseks. Teistel juhtudel on tegemist millegi nende kahe võimaluse vahepealsega. Sellisel juhul nimetatakse kahte alleeli ko-dominantseks.

Enamikul elusolendite omadustest, mida te näete, on mitu geeni, mis neid mõjutavad. Ja paljudel geenidel on kehas mitu mõju, sest nende funktsioon ei avalda igas koes ühesugust mõju. Ühe geeni mitmekordset mõju nimetatakse pleiotroopilisuseks. Geenide kogumit nimetatakse genotüübiks ja geenide kogu mõju kehale fenotüübiks. Need on geneetika võtmeterminid.

DNA-molekuli mudel.

Geneetika ajalugu

Mendeli-eelsed ideed

Me teame, et inimene alustas koduloomade kasvatamist juba varakult, tõenäoliselt juba enne põllumajanduse leiutamist. Me ei tea, millal hakati pärilikkust esimest korda teadusliku probleemina hindama. Kreeklased ja kõige ilmsemalt Aristoteles uurisid elusolendeid ning esitasid ideid paljunemise ja pärilikkuse kohta.

Tõenäoliselt oli kõige olulisem idee enne Mendelit Charles Darwini oma, kelle idee pangenesist koosnes kahest osast. Esimene, et püsivad pärilikkused kanduvad põlvest põlve edasi, oli täiesti õige. Teine oli tema idee, et neid täiendavad "gemmulid" somaatilistest (kehakudedest). See oli täiesti vale ja ei mängi tänapäeval teaduses mingit rolli. Darwinil oli ühes asjas õigus: mis iganes juhtub evolutsioonis, peab toimuma pärilikkuse kaudu, ja seega on täpne geneetika teadus evolutsiooniteooria jaoks fundamentaalne. Selle geneetika ja evolutsiooni vahelise "paarumise" korraldamine võttis palju aastaid. Selle tulemuseks oli kaasaegne evolutsiooniline süntees.

Mendeli geneetika

Geneetika põhireeglid avastas esmakordselt munga Gregor Mendel umbes 1865. aastal. Juba tuhandeid aastaid olid inimesed uurinud, kuidas tunnused päranduvad vanematelt lastele. Mendeli töö oli siiski teistsugune, sest ta kavandas oma katsed väga hoolikalt.

Mendel uuris oma katsetes, kuidas tunnused päranduvad hernetaimedel. Ta alustas oma ristamisi taimedega, mis arenesid tõepäraselt, ja loendas tunnuseid, mis olid looduses kas/või (kas pikk või lühike). Ta aretas suure hulga taimi ja väljendas oma tulemusi arvuliselt. Ta kasutas katseristutusi, et selgitada välja retsessiivsete tunnuste olemasolu ja osakaal.

Mendel selgitas oma katse tulemusi kahe teadusliku seadusega:

• 1. Tegurid, mida hiljem nimetatakse geenideks, esinevad tavalistes keharakkudes tavaliselt paarikaupa, kuid eralduvad sugurakkude moodustamisel. Need tegurid määravad organismi tunnused ja need pärandatakse vanematelt. Kui sugurakud tekivad meioosi teel, eralduvad need kaks faktorit. Sugurakke saab ainult üks või teine. Seda nimetas Mendel segregatsiooni seaduseks.
• 2. Erinevate geenide alleelid eralduvad üksteisest sõltumatult, kui moodustuvad sugurakud. Seda nimetas ta sõltumatu assortiumi seaduseks. Seega arvas Mendel, et erinevad tunnused päranduvad üksteisest sõltumatult. Nüüd teame, et see on tõsi ainult siis, kui geenid ei asu samal kromosoomil, millisel juhul nad ei ole omavahel seotud.

Mendeli seadused aitasid seletada tulemusi, mida ta oma hernetaimede puhul täheldas. Hiljem avastasid geneetikud, et tema seadused kehtivad ka teiste elusolendite, isegi inimeste puhul. Mendeli järeldused tema tööst hernetaimedega aitasid luua geneetika valdkonna. Tema panus ei piirdunud ainult tema avastatud põhireeglitega. Mendeli hoolikus katsetustingimuste kontrollimisel koos tema tähelepanuga tema numbrilistele tulemustele seadis standardi tulevaste katsete jaoks. Aastate jooksul on teadlased Mendeli ideid muutnud ja täiustanud. Kuid geneetika teadus ei oleks tänapäeval võimalik ilma Gregor Mendeli varase tööta.

Mendeli ja kaasaegse geneetika vahel

Mendeli töö ja 1900. aasta vahelisel ajal töötati välja tsütoloogia, rakkude uurimise, alused. Mendeli töö õigeks mõistmiseks olid tuuma ja rakkude jagunemise kohta avastatud faktid hädavajalikud.

1832: Barthélémy Dumortier, kes esimesena jälgis rakkude jagunemist hulkraksetes organismides.

1841, 1852: Robert Remak (1815-1865), juudi poola-saksa füsioloog, oli esimene inimene, kes esitas rakubioloogia aluse: rakud pärinevad ainult teistest rakkudest. Hiljem populariseeris seda saksa arst Rudolf Virchow (1821-1902), kes kasutas kuulsat fraasi omnis cellula e cellula, mis tähendab, et kõik rakud pärinevad teistest rakkudest.

1865: Gregor Mendeli artikkel "Katsed taimede hübriidsuse kohta" avaldati.

1876: Saksa bioloog Oscar Hertwig (1849-1922) avastas ja kirjeldas meioosi esimest korda merisiili munades.

1878–1888: Walther Flemming ja Eduard Strasburger kirjeldavad kromosoomide käitumist mitoosi ajal.

1883: Belgia zooloog Edouard van Beneden (1846-1910) kirjeldas meioosi kromosoomide tasandil Ascaris'e (ümarusside) munade puhul.

1883: Saksa zooloog Wilhelm Roux (1850-1924) mõistis kromosoomide lineaarse struktuuri tähtsust. Nende jagunemine kaheks võrdseks pikisuunaliseks pooleks tagas, et iga tütarrakk sai sama kromosoomikomplekti. Seega olid kromosoomid pärilikkuse kandjad.

1889: Hollandi botaanik Hugo de Vries pakub välja, et "konkreetsete tunnuste pärandumine organismides toimub osakestena", nimetades selliseid osakesi (pan)geenideks.

1890: Ta märkis, et kaks rakkude jagunemist on vajalikud selleks, et üks diploidne rakk muutuks neljaks haploidseks rakuks, kui kromosoomide arv peab säilima.

1902–1904: Theodor Boveri (1862-1915), saksa bioloog, juhtis mitmes kirjutises tähelepanu kromosoomide käitumise ja Mendeli tulemuste vahelisele vastavusele. Ta ütles, et kromosoomid on "iseseisvad üksused, mis säilitavad oma iseseisvuse ka puhkeolekus tuumas... See, mis tuumast välja tuleb, on see, mis sinna sisse läheb".

1903: Walter Sutton pakkus välja, et kromosoomid, mis segregeeruvad Mendeli viisil, on pärilikud üksused. Edmund B. Wilson (1856-1939), Suttoni õpetaja ja ühe kuulsaima bioloogia õpiku autor, nimetas seda Sutton-Boveri hüpoteesiks.

Sel hetkel liitusid tsütoloogia avastused Mendeli taasavastatud ideedega, moodustades tsütogeneetika (tsüto = rakk; geneetika = pärilikkus), mis on jätkunud tänapäevani.

Mendeli töö taasavastamine

1890. aastatel hakkasid mitmed bioloogid tegema aretuskatseid ja peagi hakati Mendeli tulemusi dubleerima, isegi enne, kui tema töid loeti. Carl Correns ja Hugo de Vries olid Mendeli kirjutiste ja seaduste peamised taasavastajad. Mõlemad tunnistasid Mendeli prioriteetsust, kuigi on tõenäoline, et de Vries mõistis oma tulemusi alles pärast Mendeli lugemist. Kuigi algselt omistati ka Erich von Tschermakile taasavastamist, ei aktsepteerita seda enam, sest ta ei mõistnud Mendeli seadusi. Kuigi de Vries kaotas hiljem huvi mendelismi vastu, ehitasid teised bioloogid geneetika teaduseks.

Mendeli tulemusi korrati ja geneetiline seos töötati peagi välja. William Bateson tegi algusaegadel ehk kõige rohkem ära Mendeli teooria tutvustamiseks. Sõna "geneetika" ja muu terminoloogia pärineb Batesonilt.

Mendeli katsetulemuste üle on hiljem vaieldud. Fisher analüüsis F2 (teise filiaali) suhte tulemusi ja leidis, et need on ebatõenäoliselt lähedal täpsele suhtele 3:1. Mõnikord on oletatud, et Mendel võis oma tulemusi tsenseerida ja et tema seitse tunnust esinevad igaüks eraldi kromosoomipaaril, mis on äärmiselt ebatõenäoline, kui need on valitud juhuslikult. Tegelikult esinesid Mendeli uuritud geenid ainult neljas seosegrupis ja ainult üks geenipaar (21 võimalikust) on piisavalt lähedane, et näidata kõrvalekaldumist sõltumatust sortimendist; see ei ole paar, mida Mendel uuris.

Gregor Mendel, kaasaegse geneetika isa.

Geneetika vahendid

Mutatsioonid

DNA replikatsiooni käigus tekivad mõnikord vead. Need vead, mida nimetatakse mutatsioonideks, võivad mõjutada organismi fenotüüpi. See omakorda mõjutab tavaliselt organismi sobivust, tema võimet elada ja edukalt paljuneda.

Veamäärad on tavaliselt väga madalad - 1 viga iga 10-100 miljoni aluse kohta - tänu DNA-polümeraaside "korrektuurilugemisvõimele". Paljudes viirustes on veamäärad tuhandekordselt suuremad. Kuna nad tuginevad DNA- ja RNA-polümeraasidele, millel puudub korrektuuri lugemise võime, on mutatsioonimäärad suuremad.

Protsesse, mis suurendavad DNA muutuste kiirust, nimetatakse mutageenseteks. Mutageensed kemikaalid suurendavad DNA replikatsiooni vigu, sageli sekkudes aluspaaride struktuuri, samas kui UV-kiirgus põhjustab mutatsioone, põhjustades DNA struktuuri kahjustusi. Keemilised kahjustused DNA-le tekivad ka looduslikult ja rakud kasutavad DNA parandamise mehhanisme, et parandada DNA-s esinevaid ebakõlasid ja katkestusi - siiski ei õnnestu parandamisel mõnikord taastada DNA algset järjestust.

Organismides, mis kasutavad DNA vahetamiseks ja geenide rekombinatsiooniks kromosoomide ristumisi, võivad meioosi käigus toimuvas joondamises esinevad vead põhjustada ka mutatsioone. Ristumise vead on eriti tõenäolised siis, kui sarnased järjestused põhjustavad partnerkromosoomide eksliku joondumise; see muudab mõned genoomide piirkonnad sellisel viisil mutatsioonile vastuvõtlikumaks. Need vead tekitavad DNA järjestuses suuri struktuurimuutusi - dubleerimisi, tervete piirkondade inversioone või deletsioone või tervete osade juhuslikku vahetamist erinevate kromosoomide vahel (nn translokatsioon).

Punnetti ruudud

Reginald Punnetti poolt välja töötatud Punnetti ruutu kasutavad bioloogid selleks, et määrata kindlaks järglaste tõenäosus, et neil on teatud genotüüp.

		Ema
		B	b
Isa	B	BB	Bb
	b	Bb	bb

Kui B tähistab mustade juuste alleeli ja b tähistab valgete juuste alleeli, siis kahe Bb vanema järeltulija puhul on 25% tõenäosusega kaks valgete juuste alleeli (bb), 50% tõenäosusega üks mõlemat (Bb) ja 25% tõenäosusega ainult mustade juuste alleel (BB).

Sugupuu skeem

Geneetikud (bioloogid, kes uurivad geneetikat) kasutavad sugupuude skeeme, et registreerida perekonna inimeste tunnuseid. Nende skeemide abil saavad geneetikud uurida, kuidas mingi omadus inimeselt inimesele pärandub.

Geneetikud saavad kasutada ka sugupuude graafikuid, et ennustada, kuidas tunnused päranduvad perekonna tulevastele lastele. Näiteks geneetilised nõustajad on spetsialistid, kes töötavad peredega, keda võivad mõjutada geneetilised haigused. Osana oma tööst koostavad nad perekonna jaoks sugupuu skeeme, mille abil saab uurida, kuidas haigus võib pärituda.

Kaksikute uuringud

Kuna inimest ei kasvatata eksperimentaalselt, tuleb inimese geneetikat uurida teiste vahenditega. Üks hiljutine viis on inimese genoomi uurimine. Teine, aastaid vanem viis on kaksikute uurimine. Identsed kaksikud on loomulikud kloonid. Nad kannavad samu geene, neid võib kasutada selleks, et uurida, kui palju pärilikkus panustab üksikute inimeste puhul. Kaksikute uuringud on olnud üsna huvitavad. Kui me koostame nimekirja iseloomulikest omadustest, leiame, et need erinevad selle poolest, kui palju nad võlgnevad pärilikkusele. Näiteks:

• Silmade värvus: täielikult pärilik
• Kaal, pikkus: osaliselt pärilik, osaliselt keskkonnast tulenev.
• Millist keelt inimene räägib: täiesti keskkonnast tulenev.

Uuringud tehakse nii. Võetakse identsete kaksikute rühm ja kaksikute rühm. Mõõtke neid erinevate tunnuste osas. Tehke statistiline analüüs (näiteks dispersioonanalüüs). See ütleb teile, millises ulatuses on tunnus pärilik. Need tunnused, mis on osaliselt päritud, on identsetel kaksikutel oluliselt sarnasemad. Selliseid uuringuid võib viia edasi, võrreldes ühesuguseid kaksikuid, kes on kasvanud koos, ja ühesuguseid kaksikuid, kes on kasvanud erinevates tingimustes. See annab ülevaate sellest, kui palju võivad asjaolud muuta geneetiliselt identsete inimeste tulemusi.

Inimene, kes esimesena tegi kaksikute uuringuid, oli Francis Galton, Darwini poolsugulane, kes oli statistika rajaja. Tema meetodiks oli jälgida kaksikuid läbi nende eluloo, tehes mitmesuguseid mõõtmisi. Kahjuks, kuigi ta teadis mono- ja dizygootilistest kaksikutest, ei hinnanud ta tegelikku geneetilist erinevust. Tänapäevased kaksikute uuringud ilmusid alles 1920. aastatel.

Näide sugupuu skeemi kohta.


Geenide dubleerimine võimaldab mitmekesistumist, kuna see tagab redundantsuse: üks geen võib muteeruda ja kaotada oma algse funktsiooni, ilma et see kahjustaks organismi.

Prokarüootide ja viiruste geneetika

Bakterite, arheaide ja viiruste geneetika on oluline uurimisvaldkond. Bakterid jagunevad enamasti suguta rakkude jagunemise teel, kuid omavad omamoodi sugu horisontaalse geeniedastuse teel. Bakterite konjugatsioon, transduktsioon ja transformatsioon on nende meetodid. Lisaks on nüüdseks teada paljude bakterite, arheaide ja viiruste täielik DNA järjestus.

Kuigi paljudele bakteritele on antud üld- ja erinimed, nagu Staphylococcus aureus, on kogu liigi idee üsna mõttetu sellise organismi puhul, millel puuduvad sugud ja kromosoomide ristumine. Selle asemel on nendel organismidel tüved, ja nii määratakse neid laboris kindlaks.

Geenid ja areng

Geeni ekspressioon

Geeni ekspressioon on protsess, mille käigus geenis sisalduv pärilik teave, DNA aluspaaride järjestus, muudetakse funktsionaalseks geenitooteks, näiteks valguks või RNA-ks. Põhiidee seisneb selles, et DNA transkribeeritakse RNA-ks, mis seejärel transleeritakse valkudeks. Valgud moodustavad paljud raku või organismi struktuurid ja kõik ensüümid.

Geeni ekspressiooni protsessi mitmeid etappe võib moduleerida (häälestada). See hõlmab nii transkriptsiooni ja  translatsioone kui ka valgu lõplikku volditud seisundit. Geeniregulatsioon lülitab geenid sisse ja välja ning kontrollib seega rakkude diferentseerumist ja morfogeneesi. Geeniregulatsioon võib olla ka evolutsiooniliste muutuste aluseks: geeniekspressiooni ajastuse, asukoha ja koguse kontroll võib avaldada sügavat mõju organismi arengule. Geeni ekspressioon võib erinevates kudedes olla väga erinev. Seda nimetatakse pleiotroopilisuseks, mis on geneetikas laialt levinud nähtus.

Alternatiivne splaissing on väga oluline kaasaegne avastus. See on protsess, mille käigus ühest geenist saab kokku panna suure hulga erinevaid valke. Üks konkreetne Drosophila geen (DSCAM) võib alternatiivselt splaissida 38 000 erinevaks mRNA-ks.

Epigeneetika ja arengu kontroll

Epigeneetika on geenide aktiivsuse muutuste uurimine, mis ei ole põhjustatud muutustest DNA järjestuses. See on geeniekspressiooni uurimine, see on viis, kuidas geenid avaldavad fenotüüpset mõju.

Need muutused geenide aktiivsuses võivad jääda raku ülejäänud elueaks ja võivad püsida ka mitme rakupõlve jooksul, läbi rakkude jagunemise. Organismi aluseks olev DNA järjestus siiski ei muutu. Selle asemel põhjustavad mittepärilikud tegurid, et organismi geenid käituksid (väljenduksid) erinevalt.

Hox-geenid on geenikompleks, mille valgud seonduvad sihtgeenide regulatiivsete piirkondadega. Sihtgeenid aktiveerivad või pärsivad seejärel rakuprotsesse, et suunata organismi lõplikku arengut.

Ekstranukleaarne pärandamine

On olemas mõned pärilikkuse liigid, mis toimuvad väljaspool rakutuuma. Normaalne pärimine toimub mõlemalt vanemalt kromosoomide kaudu viljastatud munaraku tuumas. On olemas ka muud liiki pärandumist kui see.

Organellide pärilikkus

Mitokondrid ja kloroplastid kannavad oma DNA-d. Nende koostise määravad kromosoomides olevad geenid ja organellil olevad geenid. Carl Correns avastas 1908. aastal ühe näite. Nelja taime, Mirabilis jalapa, lehed võivad olla valged, rohelised või kirjud. Correns avastas, et õietolm ei mõjuta seda pärilikkust. Värvi otsustavad kloroplastides olevad geenid.

Nakkuslik pärilikkus

Selle põhjuseks on sümbiootiline või parasitaarne suhe mikroorganismiga.

Emade mõju

Sellisel juhul transkribeeritakse emasloomade sugurakkude tuumageene. Tooted kogunevad munarakkude tsütoplasmasse ja mõjutavad viljastatud munaraku varajast arengut. Tigu, Limnaea peregra, käärimine on määratud niimoodi. Parempoolsed kestad on genotüübid Dd või dd, vasakpoolsed kestad on dd.

Kõige olulisem näide emade mõju kohta on Drosophila melanogaster. Emapoolse efekti geenid aktiveerivad teisi geene, mis omakorda aktiveerivad veel rohkem geene. See töö pälvis 1995. aastal Nobeli füsioloogia- või meditsiinipreemia.

Kaasaegse geneetika aspektid

Paljudes kaasaegsetes teadusuuringutes kasutatakse geneetika, rakubioloogia ja molekulaarbioloogia segu. Teemad, mille kohta on välja antud Nobeli preemia kas keemia või füsioloogia valdkonnas, on järgmised:

• Alternatiivne splaissing, mille puhul üks geen kodeerib erinevaid seotud valgu tooteid.
• Genoomika, genoomide järjestus ja analüüs, genoomide funktsioon ja struktuur.
• Geenitehnoloogia, organismi genoomi muutmine biotehnoloogia abil.
• Liikuvad geneetilised elemendid, DNA tüübid, mis võivad muuta oma positsiooni genoomis.
• Horisontaalne geeniülekanne, mille puhul organism saab geneetilist materjali teiselt organismilt, ilma et ta oleks selle organismi järglane.

Inimese käitumise geneetika

Paljudel teadaolevatel inimeste käitumishäiretel on geneetiline komponent. See tähendab, et nende pärilikkus põhjustab osaliselt käitumist või muudab probleemi esinemise tõenäolisemaks. Näited on järgmised:

• Autism
• ADHD (tähelepanuhäire)
• Narkootikumide kasutamine ja kuritarvitamine
• Riskide võtmine
• Skisofreenia

Ka normaalne käitumine on tugevalt mõjutatud pärilikkusest:

• Õppimine ja kognitiivsed võimed
• Isiksus

·          

·          

Seotud leheküljed

• ENCODE: inimese genoomi täielik analüüs
• Geeniteraapia