Genetyka - Genetics

Genetyka jest dziedziną biologii danej z badania genów , zmienność genetyczną i dziedziczenia w organizmach .

Chociaż dziedziczność obserwowano od tysiącleci, Gregor Mendel , morawski naukowiec i zakonnik augustianów pracujący w XIX wieku w Brnie , jako pierwszy zbadał genetykę naukowo. Mendel badał „dziedziczenie cech”, wzorce w jaki sposób cechy są przekazywane potomstwu przez rodziców z biegiem czasu. Zauważył, że organizmy (rośliny grochu) dziedziczą cechy poprzez odrębne „jednostki dziedziczenia”. Termin ten, używany do dziś, jest nieco niejednoznaczną definicją tego, co określa się mianem genu.

Cecha spadków i molekularne mechanizmy dziedziczenia genów są nadal podstawowe zasady genetyki w 21 wieku, ale nowoczesne genetyka rozszerzył poza dziedziczenia do badania funkcji genów i zachowania. Struktura i funkcja genów, zmienność i dystrybucja są badane w kontekście komórki , organizmu (np. dominacja ) oraz w kontekście populacji. Genetyka dała początek wielu subdziedzinom, w tym genetyce molekularnej , epigenetyce i genetyce populacyjnej . Organizmy badane w szerokim polu obejmują domeny życia ( archeony , bakterie i eukaria ).

Procesy genetyczne działają w połączeniu ze środowiskiem i doświadczeniami organizmu, aby wpływać na rozwój i zachowanie , często określane jako natura kontra wychowanie . Wewnątrzkomórkowego lub zewnątrzkomórkowe środowisko żywej komórki lub organizmu mogą zmieniać transkrypcji genu lub wyłączyć. Klasycznym przykładem są dwa nasiona genetycznie identycznej kukurydzy, jedno umieszczone w klimacie umiarkowanym, a drugie w klimacie suchym (brak wystarczającej ilości wodospadu lub deszczu). Podczas gdy średnia wysokość dwóch łodyg kukurydzy może być genetycznie równa, ta w suchym klimacie rośnie tylko do połowy wysokości w klimacie umiarkowanym z powodu braku wody i składników odżywczych w środowisku.

Etymologia

Słowo genetyka pochodzi od starożytnego greckiego γενετικός genetikos oznaczającego „dopełniacz”/„generatywny”, co z kolei wywodzi się od γένεσις genesis oznaczającego „pochodzenie”.

Historia

Obserwacja, że ​​istoty żywe dziedziczą cechy swoich rodziców, była wykorzystywana od czasów prehistorycznych do ulepszania roślin uprawnych i zwierząt poprzez selektywną hodowlę . Nowoczesna nauka genetyki, starając się zrozumieć ten proces rozpoczął się od prac augustianów zakonnik Gregor Mendel w połowie 19 wieku.

Przed Mendlem, Imre Festetics , węgierski szlachcic, który mieszkał w Kőszeg przed Mendlem, był pierwszym, który użył słowa „genetyka”. W swojej pracy „Genetyczne prawo natury” (Die genetische Gesätze der Natur, 1819) opisał kilka zasad dziedziczenia genetycznego . Jego drugie prawo jest takie samo, jak to, co opublikował Mendel. W swoim trzecim prawie rozwinął podstawowe zasady mutacji (można go uznać za prekursora Hugo de Vriesa ).

Dziedziczenie mieszane prowadzi do uśrednienia każdej cechy, co, jak zauważył inżynier Fleeming Jenkin , uniemożliwia ewolucję drogą doboru naturalnego .

Inne teorie dziedziczenia poprzedzały prace Mendla. Popularną teorią w XIX wieku, sugerowaną przez Karola Darwina O powstawaniu gatunków z 1859 roku , było mieszanie dziedziczenia : idea, że ​​jednostki dziedziczą gładką mieszankę cech od swoich rodziców. Praca Mendla dostarczyła przykładów, w których cechy zdecydowanie nie zostały zmieszane po hybrydyzacji, pokazując, że cechy są wytwarzane przez kombinację odrębnych genów, a nie przez ciągłe mieszanie. Mieszanie cech w potomstwie jest teraz wyjaśnione przez działanie wielu genów z efektami ilościowymi . Inną teorią, która miała wtedy pewne poparcie, było dziedziczenie cech nabytych : przekonanie, że jednostki dziedziczą cechy wzmocnione przez rodziców. Ta teoria (często związane z Jean-Baptiste Lamarck ) jest teraz wiadomo, że źle-doświadczenia osoby nie wpływają geny przechodzą do swoich dzieci, Inne teorie obejmowały pangeneza of Charles Darwin (który zarówno nabyte i dziedziczone aspekty) oraz przeformułowanie pangenezy Francisa Galtona jako zarówno cząstkowej, jak i dziedzicznej.

Genetyka mendlowska i klasyczna

Obserwacja Morgana związanego z płcią dziedziczenia mutacji powodującej białe oczy u Drosophila doprowadziła go do hipotezy, że geny są zlokalizowane na chromosomach.

Współczesna genetyka rozpoczęła się od badań Mendla nad naturą dziedziczenia u roślin. W swoim artykule „ Versuche über Pflanzenhybriden ” („ Eksperymenty nad hybrydyzacją roślin ”), przedstawionym w 1865 r. Naturforschender Verein (Towarzystwo Badań w Naturze) w Brünn , Mendel prześledził wzorce dziedziczenia pewnych cech u roślin grochu i opisał je matematycznie. Chociaż ten wzorzec dziedziczenia można było zaobserwować tylko dla kilku cech, praca Mendla sugerowała, że ​​dziedziczność jest cząstkowa, a nie nabyta, i że wzorce dziedziczenia wielu cech można wyjaśnić za pomocą prostych zasad i proporcji.

Znaczenie pracy Mendla nie zostało szeroko zrozumiane aż do 1900 roku, po jego śmierci, kiedy Hugo de Vries i inni naukowcy ponownie odkryli jego badania. William Bateson , orędownik pracy Mendla, ukuł słowo genetyka w 1905 roku (przymiotnik genetyczny , wywodzący się z greckiego słowa genesis —γένεσις, „pochodzenie”, poprzedza rzeczownik i został po raz pierwszy użyty w sensie biologicznym w 1860 roku). Bateson pełnił rolę mentora i był znacząco wspomagany przez pracę innych naukowców z Newnham College w Cambridge, w szczególności pracę Becky Saunders , Nory Darwin Barlow i Muriel Wheldale Onslow . Bateson spopularyzował użycie słowa „ genetyka” do opisu badań nad dziedziczeniem w swoim przemówieniu inauguracyjnym na Trzeciej Międzynarodowej Konferencji na temat Hybrydyzacji Roślin w Londynie w 1906 roku.

Po ponownym odkryciu pracy Mendla naukowcy próbowali określić, które cząsteczki w komórce odpowiadają za dziedziczenie. W 1900 roku Nettie Stevens zaczęła badać mącznika. W ciągu następnych 11 lat odkryła, że ​​kobiety miały tylko chromosom X, a mężczyźni zarówno chromosomy X, jak i Y. Udało jej się wywnioskować, że płeć jest czynnikiem chromosomalnym i zależy od mężczyzny. W 1911 Thomas Hunt Morgan argumentował, że geny znajdują się na chromosomach , opierając się na obserwacjach mutacji białych oczu związanych z płcią u muszek owocówek . W 1913 roku jego uczeń Alfred Sturtevant wykorzystał zjawisko sprzężenia genetycznego, aby pokazać, że geny są ułożone liniowo na chromosomie.

Genetyka molekularna

DNA , molekularna podstawa dziedziczenia biologicznego . Każda nić DNA jest łańcuchem nukleotydów , pasujących do siebie w środku, tworząc coś, co wygląda jak szczeble na skręconej drabinie.

Chociaż wiadomo, że geny istnieją na chromosomach, chromosomy składają się zarówno z białka, jak i DNA, a naukowcy nie wiedzieli, który z nich jest odpowiedzialny za dziedziczenie. W 1928 roku Frederick Griffith odkrył zjawisko transformacji (patrz eksperyment Griffitha ): martwe bakterie mogą przenosić materiał genetyczny do „przekształcania” innych wciąż żyjących bakterii. Szesnaście lat później, w 1944 roku, eksperyment Avery-MacLeod-McCarty zidentyfikował DNA jako cząsteczkę odpowiedzialną za transformację. Rolę jądra jako repozytorium informacji genetycznej u eukariontów ustalił Hämmerling w 1943 roku w swojej pracy nad jednokomórkowym glonem Acetabularia . Hershey-Chase eksperyment 1952 potwierdziły, że DNA (zamiast białka) stanowi materiał genetyczny z wirusów, które infekują bakterie, dostarczając dalszych dowodów, że cząsteczka DNA jest odpowiedzialne za spadek.

James Watson i Francis Crick określone struktury DNA, 1953, z wykorzystaniem krystalografii rentgenowskiej pracy Rosalindę Franklin i Maurice Wilkins , że wskazany DNA posiada spiralną strukturę (np kształcie korkociągu). Ich model podwójnej helisy miał dwie nici DNA z nukleotydami skierowanymi do wewnątrz, z których każda pasowała do komplementarnego nukleotydu na drugiej nici, tworząc coś, co wygląda jak szczeble na skręconej drabinie. Ta struktura pokazała, że ​​w sekwencji nukleotydów na każdej nici DNA istnieje informacja genetyczna. Struktura sugerowała również prostą metodę replikacji : jeśli nici są rozdzielone, nowe nici partnerskie mogą być zrekonstruowane dla każdej z nich w oparciu o sekwencję starej nici. Ta właściwość nadaje DNA jego semikonserwatywną naturę, gdzie jedna nić nowego DNA pochodzi z oryginalnej nici rodzicielskiej.

Chociaż struktura DNA pokazała, jak działa dziedziczenie, nadal nie było wiadomo, w jaki sposób DNA wpływa na zachowanie komórek. W kolejnych latach naukowcy próbowali zrozumieć, w jaki sposób DNA kontroluje proces produkcji białek . Odkryto, że komórka wykorzystuje DNA jako matrycę do tworzenia pasującego informacyjnego RNA , molekuł z nukleotydami bardzo podobnymi do DNA. Sekwencja nukleotydowa informacyjnego RNA jest używana do tworzenia sekwencji aminokwasowej w białku; ta translacja między sekwencjami nukleotydowymi a sekwencjami aminokwasowymi jest znana jako kod genetyczny .

Wraz z nowo odkrytym molekularnym zrozumieniem dziedziczenia nastąpiła eksplozja badań. Godna uwagi teoria powstała od Tomoko Ohty w 1973 r. wraz z poprawką do neutralnej teorii ewolucji molekularnej poprzez opublikowanie prawie neutralnej teorii ewolucji molekularnej . W tej teorii Ohta podkreślał znaczenie doboru naturalnego i środowiska dla tempa, w jakim zachodzi ewolucja genetyczna. Jednym z ważnych osiągnięć było sekwencjonowanie DNA z terminacją łańcucha w 1977 przez Fredericka Sangera . Technologia ta umożliwia naukowcom odczytanie sekwencji nukleotydowej cząsteczki DNA. W 1983 roku Kary Banks Mullis opracował reakcję łańcuchową polimerazy , zapewniającą szybki sposób izolacji i amplifikacji określonego odcinka DNA z mieszaniny. Wysiłki Human Genome Project , Department of Energy, NIH i równoległe prywatne wysiłki Celera Genomics doprowadziły do ​​zsekwencjonowania ludzkiego genomu w 2003 roku.

Cechy dziedziczenia

Dziedziczenie dyskretne i prawa Mendla

Punnett kwadratowy przedstawiający skrzyżowanie dwóch roślin grochu heterozygotycznych fioletowy (B) i (b) białe kwiaty.

Na najbardziej podstawowym poziomie dziedziczenie w organizmach odbywa się poprzez przekazywanie odrębnych jednostek dziedzicznych, zwanych genami , od rodziców do potomstwa. Właściwość tę po raz pierwszy zaobserwował Gregor Mendel , który badał segregację cech dziedzicznych grochu . W swoich eksperymentach badających cechę koloru kwiatu Mendel zaobserwował, że kwiaty każdej rośliny grochu były albo fioletowe, albo białe, ale nigdy nie były pośrednie między tymi dwoma kolorami. Te różne, odrębne wersje tego samego genu nazywane są allelami .

W przypadku grochu, który jest gatunkiem diploidalnym , każda pojedyncza roślina ma dwie kopie każdego genu, po jednej kopii odziedziczonej po każdym z rodziców. Wiele gatunków, w tym ludzie, ma ten wzór dziedziczenia. Organizmy diploidalne z dwiema kopiami tego samego allelu danego genu nazywamy homozygotycznymi w tym locus genu , natomiast organizmy z dwoma różnymi allelami danego genu nazywamy heterozygotycznymi .

Zbiór alleli danego organizmu nazywamy jego genotypem , natomiast obserwowalne cechy organizmu nazywamy jego fenotypem . Gdy organizmy są heterozygotyczne w genie, często jeden allel jest nazywany dominującym, ponieważ jego cechy dominują fenotyp organizmu, podczas gdy drugi allel jest nazywany recesywnym, ponieważ jego cechy ustępują i nie są obserwowane. Niektóre allele nie mają całkowitej dominacji i zamiast tego mają niepełną dominację poprzez ekspresję pośredniego fenotypu lub kodominację poprzez ekspresję obu alleli jednocześnie.

Kiedy para organizmów rozmnaża się płciowo , ich potomstwo losowo dziedziczy jeden z dwóch alleli od każdego z rodziców. Te obserwacje dyskretnego dziedziczenia i segregacji alleli są wspólnie znane jako pierwsze prawo Mendla lub prawo segregacji.

Notacja i diagramy

Genetyczne wykresy rodowodowe pomagają śledzić wzorce dziedziczenia cech.

Genetycy używają diagramów i symboli do opisu dziedziczenia. Gen jest reprezentowany przez jedną lub kilka liter. Często symbol „+” jest używany do oznaczenia zwykłego, niezmutowanego allelu genu.

W eksperymentach nawozowych i hodowlanych (a zwłaszcza przy omawianiu praw Mendla) rodzice określani są jako pokolenie „P”, a potomstwo jako pokolenie „F1” (pierwsze pokolenie synowskie). Kiedy potomstwo F1 kojarzy się ze sobą, potomstwo nazywane jest pokoleniem „F2” (drugie pokolenie potomne). Jednym z powszechnych diagramów używanych do przewidywania wyników krzyżowania jest kwadrat Punneta .

Badając ludzkie choroby genetyczne, genetycy często używają wykresów rodowodowych do reprezentowania dziedziczenia cech. Te wykresy odwzorowują dziedziczenie cechy w drzewie genealogicznym.

Wielokrotne interakcje genów

Wzrost człowieka to cecha o złożonych przyczynach genetycznych. Dane Francisa Galtona z 1889 roku pokazują zależność między wzrostem potomstwa w funkcji średniego wzrostu rodzica.

Organizmy mają tysiące genów iw organizmach rozmnażających się płciowo geny te generalnie dobierają się niezależnie od siebie. Oznacza to, że dziedziczenie allelu koloru żółtego lub zielonego groszku nie jest związane z dziedziczeniem alleli dla kwiatów białych lub fioletowych. Zjawisko to, znane jako „ drugie prawo Mendla ” lub „prawo niezależnego asortymentu”, oznacza, że ​​allele różnych genów mieszają się między rodzicami, tworząc potomstwo o wielu różnych kombinacjach. (Niektóre geny nie selekcjonują się niezależnie, co wskazuje na powiązanie genetyczne , temat omówiony w dalszej części tego artykułu).

Często różne geny mogą oddziaływać w sposób, który wpływa na tę samą cechę. Na przykład u Niebieskookiej ( Omphalodes verna ) istnieje gen z allelami określającymi kolor kwiatów: niebieski lub magenta. Jednak inny gen kontroluje, czy kwiaty w ogóle mają kolor, czy są białe. Kiedy roślina ma dwie kopie tego białego allelu, jej kwiaty są białe – niezależnie od tego, czy pierwszy gen ma allele niebieskie, czy magenta. Ta interakcja między genami nazywana jest epistazą , przy czym drugi gen jest epistatyczny względem pierwszego.

Wiele cech nie jest cechami odrębnymi (np. fioletowe lub białe kwiaty), lecz cechami ciągłymi (np. wzrost i kolor skóry człowieka ). Te złożone cechy są produktami wielu genów. Wpływ tych genów jest w różnym stopniu pośredniczony przez środowisko, którego doświadcza organizm. Stopień, w jakim geny organizmu przyczyniają się do złożonej cechy, nazywa się dziedzicznością . Pomiar odziedziczalności cechy jest względny — w bardziej zmiennym środowisku środowisko ma większy wpływ na całkowitą zmienność cechy. Na przykład wzrost człowieka jest cechą o złożonych przyczynach. Ma dziedziczność 89% w Stanach Zjednoczonych. Jednak w Nigerii, gdzie ludzie mają bardziej zróżnicowany dostęp do dobrego odżywiania i opieki zdrowotnej , dziedziczność wzrostu wynosi tylko 62%.

Molekularne podstawy dziedziczenia

DNA i chromosomy

Struktura molekularna DNA. Zasady parują się poprzez układ wiązań wodorowych między pasmami.
Sekwencja DNA

Podstawą molekularną genów jest kwas dezoksyrybonukleinowy (DNA). DNA składa się z łańcucha nukleotydów , których istnieją cztery typy: adenina (A), cytozyna (C), guanina (G) i tymina (T). Informacja genetyczna istnieje w sekwencji tych nukleotydów, a geny istnieją jako ciągi sekwencji wzdłuż łańcucha DNA. Wirusy są Jedynym wyjątkiem od tej reguły czasami wirusy użyciu bardzo podobna cząsteczka RNA , a nie z DNA jako materiał genetyczny. Wirusy nie mogą się rozmnażać bez gospodarza i nie mają na nie wpływu wiele procesów genetycznych, dlatego nie są uważane za żywe organizmy.

DNA normalnie istnieje jako dwuniciowa cząsteczka, zwinięta w kształt podwójnej helisy . Każdy nukleotyd w DNA preferencyjnie paruje się ze swoim nukleotydem partnerskim na przeciwległej nici: pary A z T i pary C z G. Tak więc, w swojej dwuniciowej postaci, każda nić skutecznie zawiera wszystkie niezbędne informacje, nadmiarowe z nicią partnera. Ta struktura DNA jest fizyczną podstawą dziedziczenia: replikacja DNA powiela informację genetyczną poprzez rozszczepienie nici i użycie każdej nici jako matrycy do syntezy nowej nici partnerskiej.

Geny są ułożone liniowo wzdłuż długich łańcuchów sekwencji par zasad DNA. U bakterii każda komórka zwykle zawiera pojedynczy kolisty genofor , podczas gdy organizmy eukariotyczne (takie jak rośliny i zwierzęta) mają swoje DNA ułożone w wielu liniowych chromosomach. Te nici DNA są często bardzo długie; na przykład największy ludzki chromosom ma długość około 247 milionów par zasad . DNA chromosomu jest związane z białkami strukturalnymi, które organizują, kompaktują i kontrolują dostęp do DNA, tworząc materiał zwany chromatyną ; u eukariontów chromatyna zwykle składa się z nukleosomów , segmentów DNA owiniętych wokół rdzeni białek histonowych . Pełny zestaw materiału dziedzicznego w organizmie (zazwyczaj połączone sekwencje DNA wszystkich chromosomów) nazywany jest genomem .

DNA najczęściej znajduje się w jądrze komórkowym, ale Ruth Sager pomogła w odkryciu genów niechromosomalnych znajdujących się poza jądrem. W roślinach często znajdują się one w chloroplastach i innych organizmach, w mitochondriach. Te niechromosomalne geny mogą być nadal przekazywane przez partnera podczas rozmnażania płciowego i kontrolują szereg cech dziedzicznych, które replikują się i pozostają aktywne przez pokolenia.

Podczas gdy organizmy haploidalne mają tylko jedną kopię każdego chromosomu, większość zwierząt i wiele roślin jest diploidalnych , zawierających po dwie z każdego chromosomu, a zatem dwie kopie każdego genu. Dwa allele genu znajdują się w identycznych loci dwóch homologicznych chromosomów , każdy allel odziedziczony od innego rodzica.

Schemat podziału komórek eukariotycznych Walthera Flemminga z 1882 roku. Chromosomy są kopiowane, zagęszczane i porządkowane. Następnie, gdy komórka się dzieli, kopie chromosomów rozdzielają się na komórki potomne.

Wiele gatunków ma tak zwane chromosomy płci, które określają płeć każdego organizmu. U ludzi i wielu innych zwierząt chromosom Y zawiera gen, który wyzwala rozwój charakterystycznych cech męskich. W ewolucji chromosom ten stracił większość swojej zawartości, a także większość genów, podczas gdy chromosom X jest podobny do innych chromosomów i zawiera wiele genów. Biorąc to pod uwagę, Mary Frances Lyon odkryła, że ​​podczas reprodukcji dochodzi do dezaktywacji chromosomu X, aby uniknąć przekazywania potomstwu dwukrotnie większej liczby genów. Odkrycie Lyonu doprowadziło do odkrycia innych rzeczy, w tym chorób sprzężonych z chromosomem X. Chromosomy X i Y tworzą silnie niejednorodną parę.

Reprodukcja

Kiedy komórki się dzielą, ich pełny genom jest kopiowany, a każda komórka potomna dziedziczy jedną kopię. Proces ten, zwany mitozą , jest najprostszą formą rozmnażania i stanowi podstawę rozmnażania bezpłciowego . Rozmnażanie bezpłciowe może również występować w organizmach wielokomórkowych, produkując potomstwo, które dziedziczy genom od jednego rodzica. Potomstwo, które jest genetycznie identyczne z rodzicami, nazywane jest klonami .

Organizmy eukariotyczne często wykorzystują rozmnażanie płciowe do generowania potomstwa, które zawiera mieszankę materiału genetycznego odziedziczonego po dwóch różnych rodzicach. Proces rozmnażania płciowego przebiega naprzemiennie między formami zawierającymi pojedyncze kopie genomu ( haploidalne ) i podwójne kopie ( diploidalne ). Komórki haploidalne łączą się i łączą materiał genetyczny, tworząc komórkę diploidalną ze sparowanymi chromosomami. Organizmy diploidalne tworzą haploidy dzieląc się, bez replikacji ich DNA, w celu stworzenia komórek potomnych, które losowo dziedziczą jedną z każdej pary chromosomów. Większość zwierząt i wiele roślin jest diploidalnych przez większość ich życia, a haploidalna forma jest zredukowana do jednokomórkowych gamet, takich jak plemniki lub jaja .

Chociaż nie stosują haploidalnej/diploidalnej metody rozmnażania płciowego, bakterie mają wiele metod pozyskiwania nowej informacji genetycznej. Niektóre bakterie mogą ulegać koniugacji , przenosząc mały okrągły kawałek DNA do innej bakterii. Bakterie mogą również pobierać surowe fragmenty DNA znajdujące się w środowisku i integrować je ze swoimi genomami, co jest zjawiskiem znanym jako transformacja . Procesy te prowadzą do horyzontalnego transferu genów , przenoszącego fragmenty informacji genetycznej między organizmami, które w innym przypadku nie byłyby ze sobą powiązane. Naturalna transformacja bakteryjna zachodzi w wielu gatunkach bakterii i może być traktowana jako proces płciowy polegający na przenoszeniu DNA z jednej komórki do drugiej (zwykle tego samego gatunku). Transformacja wymaga działania wielu bakteryjnych produktów genów , a jego podstawową funkcją adaptive wydaje się być naprawę z uszkodzeniami DNA w komórce biorcy.

Rekombinacja i powiązanie genetyczne

Ilustracja Thomasa Hunta Morgana z 1916 r. przedstawiająca podwójne skrzyżowanie między chromosomami.

Diploidalna natura chromosomów pozwala genom na różnych chromosomach na niezależne sortowanie lub oddzielanie się od ich homologicznej pary podczas rozmnażania płciowego, w którym powstają haploidalne gamety. W ten sposób u potomstwa pary godowej mogą wystąpić nowe kombinacje genów. Geny na tym samym chromosomie teoretycznie nigdy by się nie rekombinowały. Jednak tak się dzieje, poprzez komórkowy proces krzyżowania chromosomów . Podczas krzyżowania chromosomy wymieniają odcinki DNA, skutecznie tasując allele genów między chromosomami. Ten proces krzyżowania chromosomów zwykle zachodzi podczas mejozy , serii podziałów komórkowych, które tworzą komórki haploidalne. Rekombinacja mejotyczna , szczególnie u eukariotów drobnoustrojowych , wydaje się służyć adaptacyjnej funkcji naprawy uszkodzeń DNA.

Pierwsza cytologiczna demonstracja krzyżowania została przeprowadzona przez Harriet Creighton i Barbarę McClintock w 1931 roku. Ich badania i eksperymenty na kukurydzy dostarczyły cytologicznych dowodów na istnienie teorii genetycznej, według której połączone geny na sparowanych chromosomach faktycznie wymieniają miejsca między homologami.

Prawdopodobieństwo krzyżowania się chromosomów między dwoma danymi punktami na chromosomie jest związane z odległością między punktami. W przypadku dowolnie dużej odległości prawdopodobieństwo krzyżowania się jest na tyle wysokie, że dziedziczenie genów jest skutecznie nieskorelowane. Jednak w przypadku genów, które są bliżej siebie, mniejsze prawdopodobieństwo krzyżowania oznacza, że ​​geny wykazują powiązanie genetyczne ; allele tych dwóch genów są zwykle dziedziczone razem. Ilości sprzężeń między serią genów można łączyć, tworząc liniową mapę sprzężeń, która z grubsza opisuje rozmieszczenie genów wzdłuż chromosomu.

Ekspresja genu

Kod genetyczny

Kod genetyczny : Wykorzystanie kodu tryplet , DNA, przez mRNA pośrednictwem określa białko.

Geny generalnie wyrażają swoje działanie funkcjonalne poprzez produkcję białek , które są złożonymi cząsteczkami odpowiedzialnymi za większość funkcji w komórce. Białka składają się z jednego lub więcej łańcuchów polipeptydowych, z których każdy składa się z sekwencji aminokwasów , a sekwencja DNA genu (poprzez pośrednik RNA) jest używana do wytworzenia określonej sekwencji aminokwasowej . Proces ten rozpoczyna się od wytworzenia cząsteczki RNA z sekwencją pasującą do sekwencji DNA genu, proces zwany transkrypcją .

Ta cząsteczka informacyjnego RNA służy następnie do wytworzenia odpowiedniej sekwencji aminokwasowej w procesie zwanym translacją . Każda grupa trzech nukleotydów w sekwencji, zwana kodonem , odpowiada albo jednemu z dwudziestu możliwych aminokwasów w białku, albo instrukcji zakończenia sekwencji aminokwasowej ; ta korespondencja nazywana jest kodem genetycznym . Przepływ informacji jest jednokierunkowy: informacja jest przenoszona z sekwencji nukleotydów do sekwencji aminokwasów białek, ale nigdy nie przenosi się z białka z powrotem do sekwencji DNA – zjawisko to, które Francis Crick nazwał centralnym dogmatem biologii molekularnej .

Specyficzna sekwencja aminokwasów skutkuje unikalną trójwymiarową strukturą tego białka, a trójwymiarowe struktury białek są powiązane z ich funkcjami. Niektóre z nich to proste cząsteczki strukturalne, takie jak włókna utworzone przez białko kolagenowe . Białka mogą wiązać się z innymi białkami i prostymi cząsteczkami, czasami działając jako enzymy , ułatwiając reakcje chemiczne w związanych cząsteczkach (bez zmiany struktury samego białka). Struktura białka jest dynamiczna; hemoglobina białkowa wygina się w nieco inne formy, ponieważ ułatwia wychwytywanie, transport i uwalnianie cząsteczek tlenu we krwi ssaków.

Różnicę z nukleotydu do DNA może spowodować zmiany w sekwencji aminokwasów w białku. Ponieważ struktury białkowe są wynikiem ich sekwencji aminokwasowych, niektóre zmiany mogą radykalnie zmienić właściwości białka poprzez destabilizację struktury lub zmianę powierzchni białka w sposób, który zmienia jego interakcję z innymi białkami i cząsteczkami. Na przykład anemia sierpowata jest ludzką chorobą genetyczną, która wynika z pojedynczej różnicy zasad w regionie kodującym odcinek β-globiny hemoglobiny, powodującej pojedynczą zmianę aminokwasową, która zmienia fizyczne właściwości hemoglobiny. Sierpowate wersje hemoglobiny przyklejają się do siebie, układając się w siebie, tworząc włókna, które zniekształcają kształt czerwonych krwinek przenoszących białko. Te sierpowate komórki nie przepływają już płynnie przez naczynia krwionośne , mają tendencję do zatykania się lub degradacji, powodując problemy medyczne związane z tą chorobą.

Niektóre sekwencje DNA ulegają transkrypcji do RNA, ale nie ulegają translacji na produkty białkowe — takie cząsteczki RNA nazywane są niekodującym RNA . W niektórych przypadkach produkty te fałdują się w struktury, które biorą udział w krytycznych funkcjach komórki (np. rybosomalny RNA i przenoszący RNA ). RNA może również mieć działanie regulacyjne poprzez interakcje hybrydyzacyjne z innymi cząsteczkami RNA (takimi jak mikroRNA ).

Natura i wychowanie

Koty syjamskie mają mutację wrażliwą na temperaturę w produkcji pigmentu.

Chociaż geny zawierają wszystkie informacje, których organizm używa do funkcjonowania, środowisko odgrywa ważną rolę w określaniu ostatecznych fenotypów, które organizm wykazuje. Wyrażenie „ natura i wychowanie ” odnosi się do tej komplementarnej relacji. Fenotyp organizmu zależy od interakcji genów i środowiska. Ciekawym przykładem jest umaszczenie kota syjamskiego . W tym przypadku temperatura ciała kota odgrywa rolę środowiska. Geny kota kodują ciemne włosy, dlatego komórki produkujące sierść u kota wytwarzają białka komórkowe, które powodują ciemne włosy. Ale te białka wytwarzające ciemne włosy są wrażliwe na temperaturę (tj. mają mutację powodującą wrażliwość na temperaturę) i ulegają denaturacji w środowiskach o wyższej temperaturze, nie wytwarzając pigmentu ciemnego włosa w obszarach, w których kot ma wyższą temperaturę ciała. Jednak w środowisku o niskiej temperaturze struktura białka jest stabilna i normalnie wytwarza ciemny pigment. Białko pozostaje funkcjonalne w obszarach skóry, które są chłodniejsze – takich jak nogi, uszy, ogon i twarz – więc kot ma ciemne włosy na kończynach.

Środowisko odgrywa główną rolę w skutkach choroby genetycznej człowieka, fenyloketonurii . Mutacja powodująca fenyloketonurię zaburza zdolność organizmu do rozkładania aminokwasu fenyloalaniny , powodując toksyczne nagromadzenie pośredniej cząsteczki, co z kolei powoduje poważne objawy postępującej niepełnosprawności intelektualnej i napadów padaczkowych. Jeśli jednak ktoś z mutacją fenyloketonurii stosuje ścisłą dietę, która unika tego aminokwasu, pozostaje normalny i zdrowy.

Powszechna metoda określania, w jaki sposób geny i środowisko („natura i wychowanie”) przyczyniają się do fenotypu, obejmuje badanie bliźniąt jednojajowych i dwujajowych lub innego rodzeństwa porodów mnogich . Identyczne rodzeństwo jest genetycznie takie samo, ponieważ pochodzi z tej samej zygoty. Tymczasem bliźnięta dwujajowe różnią się od siebie genetycznie tak samo, jak normalne rodzeństwo. Porównując, jak często dane zaburzenie występuje u pary bliźniąt jednojajowych, z częstotliwością występowania u pary bliźniąt dwujajowych, naukowcy mogą ustalić, czy zaburzenie to jest spowodowane genetycznymi, czy poporodowymi czynnikami środowiskowymi. Jeden słynny przykład dotyczył badania czworaczków Genain , które były identycznymi czworaczkami, u których zdiagnozowano schizofrenię . Jednak takie testy nie mogą oddzielić czynników genetycznych od czynników środowiskowych wpływających na rozwój płodu.

Regulacja genów

Genom danego organizmu zawiera tysiące genów, ale nie wszystkie te geny muszą być w danym momencie aktywne. Gen ulega ekspresji podczas transkrypcji do mRNA i istnieje wiele komórkowych metod kontrolowania ekspresji genów, dzięki którym białka są produkowane tylko wtedy, gdy są potrzebne komórce. Czynniki transkrypcyjne to białka regulatorowe, które wiążą się z DNA, promując lub hamując transkrypcję genu. Na przykład w genomie bakterii Escherichia coli istnieje szereg genów niezbędnych do syntezy aminokwasu tryptofanu . Jednakże, gdy tryptofan jest już dostępny dla komórki, te geny do syntezy tryptofanu nie są już potrzebne. Obecność tryptofanu bezpośrednio wpływa na aktywność genów – cząsteczki tryptofanu wiążą się z represorem tryptofanu (czynnikiem transkrypcyjnym), zmieniając strukturę represora tak, że represor wiąże się z genami. Represor tryptofanu blokuje transkrypcję i ekspresję genów, tworząc w ten sposób regulację ujemnego sprzężenia zwrotnego procesu syntezy tryptofanu.

Czynniki transkrypcyjne wiążą się z DNA, wpływając na transkrypcję powiązanych genów.

Różnice w ekspresji genów są szczególnie wyraźne w organizmach wielokomórkowych , gdzie wszystkie komórki zawierają ten sam genom, ale mają bardzo różne struktury i zachowania z powodu ekspresji różnych zestawów genów. Wszystkie komórki w organizmie wielokomórkowym wywodzą się z jednej komórki, różnicując się w różne typy komórek w odpowiedzi na sygnały zewnętrzne i międzykomórkowe i stopniowo ustanawiając różne wzorce ekspresji genów, aby wytworzyć różne zachowania. Ponieważ żaden pojedynczy gen nie jest odpowiedzialny za rozwój struktur w organizmach wielokomórkowych, wzorce te wynikają ze złożonych interakcji między wieloma komórkami.

U eukariontów istnieją strukturalne cechy chromatyny, które wpływają na transkrypcję genów, często w postaci modyfikacji DNA i chromatyny, które są stabilnie dziedziczone przez komórki potomne. Cechy te nazywane są „ epigenetycznymi ”, ponieważ istnieją „na górze” sekwencji DNA i zachowują dziedziczenie z jednego pokolenia komórek do następnego. Ze względu na cechy epigenetyczne, różne typy komórek hodowane na tym samym podłożu mogą zachowywać bardzo różne właściwości. Chociaż cechy epigenetyczne są generalnie dynamiczne w trakcie rozwoju, niektóre, jak zjawisko paramutacji , mają dziedziczenie wielopokoleniowe i istnieją jako rzadkie wyjątki od ogólnej zasady DNA jako podstawy dziedziczenia.

Zmiana genetyczna

Mutacje

Duplikacja genów umożliwia dywersyfikację poprzez zapewnienie redundancji: jeden gen może zmutować i utracić swoją pierwotną funkcję bez szkody dla organizmu.

Podczas procesu replikacji DNA czasami pojawiają się błędy w polimeryzacji drugiej nici. Błędy te, zwane mutacjami , mogą wpływać na fenotyp organizmu, zwłaszcza jeśli występują w sekwencji kodującej białko genu. Częstość błędów jest zwykle bardzo niska — 1 błąd na 10–100 milionów zasad — ze względu na zdolność „korekty” polimeraz DNA . Procesy zwiększające tempo zmian w DNA nazywane są mutagennymi : mutagenne substancje chemiczne promują błędy w replikacji DNA, często zakłócając strukturę parowania zasad, podczas gdy promieniowanie UV indukuje mutacje, powodując uszkodzenie struktury DNA. Uszkodzenia chemiczne DNA występują również naturalnie, a komórki wykorzystują mechanizmy naprawy DNA do naprawy niedopasowań i pęknięć. Naprawa nie zawsze jednak przywraca pierwotną kolejność. Szczególnie ważnym źródłem uszkodzeń DNA wydają się być reaktywne formy tlenu wytwarzane przez komórkowe oddychanie tlenowe , które mogą prowadzić do mutacji.

W organizmach, które wykorzystują skrzyżowanie chromosomów do wymiany DNA i rekombinacji genów, błędy w dopasowaniu podczas mejozy mogą również powodować mutacje. Błędy w krzyżowaniu są szczególnie prawdopodobne, gdy podobne sekwencje powodują, że chromosomy partnerskie przyjmują błędne dopasowanie; to sprawia, że ​​niektóre regiony w genomach są bardziej podatne na taką mutację. Błędy te powodują duże zmiany strukturalne w sekwencji DNA — duplikacje , inwersje , delecje całych regionów — lub przypadkową wymianę całych części sekwencji między różnymi chromosomami ( translokacja chromosomowa ).

To jest diagram przedstawiający mutacje w sekwencji RNA. Figura (1) to normalna sekwencja RNA składająca się z 4 kodonów. Rysunek (2) przedstawia zmianę sensu, jednopunktową, niecichą mutację. Ryciny (3 i 4) pokazują mutacje przesunięcia ramki , dlatego są one zgrupowane razem. Figura 3 przedstawia delecję drugiej pary zasad w drugim kodonie. Figura 4 przedstawia insercję w trzeciej parze zasad drugiego kodonu. Figura (5) przedstawia ekspansję powtórzeń, w której zduplikowany jest cały kodon.

Dobór naturalny i ewolucja

Mutacje zmieniają genotyp organizmu, co czasami powoduje pojawienie się różnych fenotypów. Większość mutacji ma niewielki wpływ na fenotyp, zdrowie lub sprawność reprodukcyjną organizmu . Mutacje, które mają wpływ, są zwykle szkodliwe, ale czasami niektóre mogą być korzystne. Badania na muszce Drosophila melanogaster sugerują, że jeśli mutacja zmienia białko wytwarzane przez gen, około 70 procent tych mutacji będzie szkodliwych, a reszta będzie neutralna lub słabo korzystna.

Drzewo ewolucyjne z eukariotycznych organizmów, wykonana przez porównanie kilku ortologicznych genu sekwencji.

Genetyka populacyjna bada rozkład różnic genetycznych w populacjach oraz to, jak te rozkłady zmieniają się w czasie. Zmiany w częstości alleli w populacji są głównie pod wpływem naturalnej selekcji , gdzie dany allel stanowi selektywny lub korzyści rozrodcze dla organizmu, jak również od innych czynników, takich jak mutacje , dryfu genetycznego , autostopu genetycznej , doboru sztucznego i migracji .

Przez wiele pokoleń genomy organizmów mogą się znacznie zmieniać, powodując ewolucję . W procesie zwanym adaptacją selekcja pod kątem korzystnych mutacji może spowodować ewolucję gatunku w formy lepiej zdolne do przetrwania w swoim środowisku. Nowe gatunki powstają w procesie specjacji , często spowodowanej separacją geograficzną, która uniemożliwia populacjom wymianę genów między sobą.

Porównując homologię między genomami różnych gatunków, można obliczyć dystans ewolucyjny między nimi oraz moment, w którym mogły się rozdzielić . Porównania genetyczne są ogólnie uważane za dokładniejszą metodę charakteryzowania pokrewieństwa między gatunkami niż porównanie cech fenotypowych. Ewolucyjne odległości między gatunkami można wykorzystać do utworzenia drzew ewolucyjnych ; drzewa te reprezentują wspólne pochodzenie i rozbieżność gatunków w czasie, chociaż nie wykazują transferu materiału genetycznego między niespokrewnionymi gatunkami (znanego jako poziomy transfer genów i najczęściej występujący u bakterii).

Organizmy modelowe

Wspólny muszki owocowej ( Drosophila melanogaster ) jest popularnym organizm modelowy w badaniach genetycznych.

Chociaż genetycy początkowo badali dziedziczenie w wielu różnych organizmach, naukowcy zaczęli specjalizować się w badaniu genetyki określonego podzbioru organizmów. Fakt, że dla danego organizmu istniały już znaczące badania, zachęciłby nowych badaczy do wybrania go do dalszych badań, a więc ostatecznie kilka organizmów modelowych stało się podstawą większości badań genetycznych. Typowe tematy badawcze w genetyce organizmów modelowych obejmują badanie regulacji genów i udział genów w rozwoju i nowotworach .

Organizmy zostały wybrane po części dla wygody — krótkie czasy generacji i łatwe manipulacje genetyczne sprawiły, że niektóre organizmy stały się popularnymi narzędziami do badań genetycznych. Szeroko stosowane organizmy modelowe obejmują bakterię jelitową Escherichia coli , roślinę Arabidopsis thaliana , drożdże piekarskie ( Saccharomyces cerevisiae ), nicienie Caenorhabditis elegans , muszkę owocową ( Drosophila melanogaster ) i mysz domową ( Mus musculus ).

Medycyna

Schematyczne powiązanie biochemii , genetyki i biologii molekularnej .

Genetyka medyczna stara się zrozumieć, w jaki sposób zmienność genetyczna wiąże się ze zdrowiem i chorobą człowieka. Poszukując nieznanego genu, który może być zaangażowany w chorobę, naukowcy często używają wykresów powiązań genetycznych i genetycznych rodowodów, aby znaleźć lokalizację w genomie związanym z chorobą. Na poziomie populacji naukowcy wykorzystują randomizację Mendla do poszukiwania lokalizacji w genomie związanych z chorobami, metody szczególnie przydatnej w przypadku cech wielogenowych, które nie są jasno zdefiniowane przez pojedynczy gen. Po znalezieniu genu kandydującego, często prowadzi się dalsze badania nad odpowiednimi (lub homologicznymi ) genami organizmów modelowych. Oprócz badania chorób genetycznych, zwiększona dostępność metod genotypowania doprowadziła do powstania dziedziny farmakogenetyki : badania wpływu genotypu na reakcje na leki.

Osoby różnią się pod względem dziedzicznej skłonności do zachorowania na raka , a rak jest chorobą genetyczną. Proces rozwoju raka w organizmie to splot zdarzeń. Czasami mutacje pojawiają się w komórkach organizmu, gdy się dzielą. Chociaż te mutacje nie zostaną odziedziczone przez żadne potomstwo, mogą wpływać na zachowanie komórek, czasami powodując ich częstszy wzrost i podział. Istnieją biologiczne mechanizmy, które próbują zatrzymać ten proces; Niewłaściwie dzielącym się komórkom podawane są sygnały, które powinny wywołać śmierć komórki , ale czasami pojawiają się dodatkowe mutacje, które powodują, że komórki ignorują te komunikaty. W organizmie zachodzi wewnętrzny proces doboru naturalnego i ostatecznie w komórkach gromadzą się mutacje, które promują ich własny wzrost, tworząc rakowy guz, który rośnie i atakuje różne tkanki ciała.

Zwykle komórka dzieli się tylko w odpowiedzi na sygnały zwane czynnikami wzrostu i przestaje rosnąć w kontakcie z otaczającymi komórkami oraz w odpowiedzi na sygnały hamujące wzrost. Zwykle dzieli się wtedy ograniczoną liczbę razy i umiera, pozostając w nabłonku, gdzie nie jest w stanie migrować do innych narządów. Aby stać się komórką rakową, komórka musi akumulować mutacje w wielu genach (od trzech do siedmiu). Komórka rakowa może dzielić się bez czynnika wzrostu i ignoruje sygnały hamujące. Ponadto jest nieśmiertelny i może rosnąć w nieskończoność, nawet po kontakcie z sąsiednimi komórkami. Może uciec z nabłonka i ostatecznie z guza pierwotnego . Następnie komórka, która uciekła, może przejść przez śródbłonek naczynia krwionośnego i zostać przetransportowana przez krwioobieg, aby skolonizować nowy narząd, tworząc śmiertelne przerzuty . Chociaż istnieją pewne predyspozycje genetyczne w niewielkiej części nowotworów, główna część jest spowodowana zestawem nowych mutacji genetycznych, które pierwotnie pojawiają się i gromadzą w jednej lub niewielkiej liczbie komórek, które dzielą się, tworząc guz i nie są przenoszone na potomstwo ( mutacje somatyczne ). Najczęstsze mutacje to utrata funkcji białka p53 , supresora guza lub szlaku p53 oraz nabycie mutacji funkcji w białkach Ras lub innych onkogenach .

Metody badawcze

Kolonie z E. coli produkowany przez klonowanie komórek . Podobna metodologia jest często stosowana w klonowaniu molekularnym .

DNA można manipulować w laboratorium. Enzymy restrykcyjne to powszechnie stosowane enzymy, które tną DNA w określonych sekwencjach, tworząc przewidywalne fragmenty DNA. Fragmenty DNA można wizualizować za pomocą elektroforezy żelowej , która rozdziela fragmenty według ich długości.

Zastosowanie enzymów ligacyjnych umożliwia połączenie fragmentów DNA. Wiążąc („ligując”) fragmenty DNA pochodzące z różnych źródeł, naukowcy mogą tworzyć zrekombinowane DNA , często związane z organizmami modyfikowanymi genetycznie . Rekombinowany DNA jest powszechnie używany w kontekście plazmidów : krótkich kolistych cząsteczek DNA z kilkoma genami. W procesie znanym jako klonowanie molekularne naukowcy mogą amplifikować fragmenty DNA, umieszczając plazmidy w bakteriach, a następnie hodując je na płytkach agarowych (aby wyizolować klony komórek bakterii — „klonowanie” może również odnosić się do różnych sposobów tworzenia klonów (" klonalne")).

DNA można również amplifikować za pomocą procedury zwanej reakcją łańcuchową polimerazy (PCR). Stosując specyficzne krótkie sekwencje DNA, PCR może izolować i wykładniczo amplifikować docelowy region DNA. Ponieważ może amplifikować z bardzo małych ilości DNA, PCR jest również często używany do wykrywania obecności określonych sekwencji DNA.

Sekwencjonowanie DNA i genomika

Sekwencjonowanie DNA , jedna z najbardziej fundamentalnych technologii opracowanych do badania genetyki, pozwala naukowcom określić sekwencję nukleotydów we fragmentach DNA. Technika sekwencjonowania zakończeń łańcuchów , opracowana w 1977 roku przez zespół kierowany przez Fredericka Sangera , jest nadal rutynowo stosowana do sekwencjonowania fragmentów DNA. Korzystając z tej technologii, naukowcy byli w stanie zbadać sekwencje molekularne związane z wieloma chorobami człowieka.

Ponieważ sekwencjonowanie stało się tańsze, naukowcy zsekwencjonowali genomy wielu organizmów za pomocą procesu zwanego montażem genomu , który wykorzystuje narzędzia obliczeniowe do łączenia sekwencji z wielu różnych fragmentów. Technologie te zostały wykorzystane do sekwencjonowania ludzkiego genomu w Human Genome Project zakończonym w 2003 roku. Nowe wysokowydajne technologie sekwencjonowania radykalnie obniżają koszt sekwencjonowania DNA, a wielu badaczy ma nadzieję obniżyć koszt resekwencjonowania ludzkiego genomu do tysiąca dolarów.

Sekwencjonowanie nowej generacji (lub sekwencjonowanie o wysokiej przepustowości) pojawiło się z powodu stale rosnącego zapotrzebowania na tanie sekwencjonowanie. Te technologie sekwencjonowania umożliwiają równoczesną produkcję potencjalnie milionów sekwencji. Duża ilość dostępnych danych sekwencyjnych stworzyła poddziedzinę genomiki , badań wykorzystujących narzędzia obliczeniowe do wyszukiwania i analizowania wzorców w pełnych genomach organizmów. Genomika może być również uważana za poddziedzinę bioinformatyki , która wykorzystuje podejścia obliczeniowe do analizy dużych zbiorów danych biologicznych . Częstym problemem w tych dziedzinach badań jest sposób zarządzania i udostępniania danych dotyczących człowieka i informacji umożliwiających identyfikację osobową .

Społeczeństwo i kultura

W dniu 19 marca 2015 r. grupa czołowych biologów wezwała do wprowadzenia ogólnoświatowego zakazu klinicznego stosowania metod, w szczególności stosowania CRISPR i palca cynkowego , do edycji ludzkiego genomu w sposób, który może być dziedziczony. W kwietniu 2015 r. chińscy naukowcy ogłosili wyniki podstawowych badań nad edycją DNA niezdolnych do życia ludzkich embrionów za pomocą CRISPR.

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura

Zewnętrzne linki