Genetyka — definicja, geny i zasady dziedziczenia (Mendel, ewolucja)

Organizmy żywe składają się z milionów maleńkich, samoistnych elementów zwanych komórkami. Wewnątrz każdej komórki znajdują się długie i złożone cząsteczki zwane kwasem dezoksyrybonukleinowym. DNA przechowuje informacje, które mówią komórkom, jak stworzyć daną istotę żywą. Części tej informacji, które mówią, jak stworzyć jedną małą część lub cechę żywej istoty - rude włosy, niebieskie oczy lub tendencję do bycia wysokim - są znane jako geny.

Każda komórka tej samej żywej istoty ma to samo DNA, ale tylko część z niego jest wykorzystywana w każdej komórce. Na przykład niektóre geny, które mówią, jak wytwarzać części wątroby, są wyłączone w mózgu. To, jakie geny są wykorzystywane, może również zmieniać się w czasie. Na przykład we wczesnym okresie ciąży dziecko wykorzystuje wiele genów, które nie są wykorzystywane później.

Osoba ma dwie kopie każdego genu, jedną od matki i jedną od ojca. Może istnieć kilka typów jednego genu, które dają różne instrukcje: jedna wersja może spowodować, że dana osoba będzie miała niebieskie oczy, a inna, że brązowe. Te różne wersje nazywane są allelami genu.

Ponieważ żywa istota posiada dwie kopie każdego genu, może mieć dwa różne allele w tym samym czasie. Często jeden allel jest dominujący, co oznacza, że żywa istota wygląda i zachowuje się tak, jakby miała tylko ten jeden allel. Niewyrażony allel nazywany jest recesywnym. W innych przypadkach mamy do czynienia z czymś pomiędzy tymi dwoma możliwościami. W takim przypadku dwa allele są nazywane współdominującymi.

Większość cech, które można zaobserwować u żywej istoty, ma wiele genów, które na nie wpływają. A wiele genów ma wieloraki wpływ na organizm, ponieważ ich funkcja nie będzie miała takiego samego wpływu w każdej tkance. Wielokrotny wpływ pojedynczego genu nazywamy plejotropizmem. Cały zestaw genów nazywany jest genotypem, a całkowity wpływ genów na organizm nazywany jest fenotypem. Są to kluczowe pojęcia w genetyce.

Idee przedendelianskie

Wiemy, że człowiek rozpoczął hodowlę zwierząt domowych już we wczesnych czasach, prawdopodobnie przed wynalezieniem rolnictwa. Nie wiemy, kiedy po raz pierwszy doceniono dziedziczność jako problem naukowy. Grecy, a przede wszystkim Arystoteles, badali istoty żywe i proponowali pomysły dotyczące reprodukcji i dziedziczności.

Prawdopodobnie najważniejszym pomysłem przed Mendlem był pomysł Karola Darwina, którego idea pangenezy składała się z dwóch części. Pierwsza, że trwałe jednostki dziedziczne są przekazywane z pokolenia na pokolenie, była całkiem słuszna. Drugą była jego koncepcja, że są one uzupełniane przez "gemmule" z tkanek somatycznych (ciała). Było to całkowicie błędne i nie odgrywa dziś żadnej roli w nauce. Darwin miał rację co do jednego: cokolwiek dzieje się w ewolucji, musi dziać się za pomocą dziedziczności, a zatem dokładna nauka o genetyce jest fundamentalna dla teorii ewolucji. To "kojarzenie" pomiędzy genetyką i ewolucją trwało wiele lat, aby się zorganizować. W rezultacie powstała nowoczesna synteza ewolucyjna.

Genetyka mendlowska

Podstawowe zasady genetyki zostały po raz pierwszy odkryte przez mnicha Gregora Mendla około 1865 roku. Już od tysięcy lat ludzie badali, w jaki sposób cechy dziedziczone są z rodziców na dzieci. Praca Mendla była jednak inna, ponieważ bardzo starannie projektował on swoje eksperymenty.

W swoich eksperymentach Mendel badał, w jaki sposób cechy są przekazywane w roślinach grochu. Rozpoczął swoje krzyżówki z roślinami, które rozmnażały się prawdziwie, i liczył cechy, które były albo/albo w naturze (albo wysokie albo krótkie). Hodował duże ilości roślin i wyrażał swoje wyniki liczbowo. Użył krzyży testowych, aby ujawnić obecność i proporcje recesywnych znaków.

Mendel wyjaśnił wyniki swojego eksperymentu za pomocą dwóch praw naukowych:

• 1. Czynniki, zwane później genami, występują zwykle parami w zwykłych komórkach ciała, ale rozdzielają się podczas tworzenia komórek płciowych. Czynniki te decydują o cechach organizmu i są dziedziczone po rodzicach. Kiedy w wyniku mejozy powstają gamety, oba czynniki rozdzielają się. Gameta otrzymuje tylko jeden lub drugi. Mendel nazwał to prawem segregacji.
• 2. Allele różnych genów rozdzielają się niezależnie od siebie, gdy powstają gamety. To nazwał prawem niezależnego asortymentu. Mendel sądził więc, że różne cechy dziedziczą się niezależnie od siebie. Obecnie wiemy, że jest to prawdą tylko wtedy, gdy geny nie znajdują się na tym samym chromosomie, w którym to przypadku nie są ze sobą powiązane.

Prawa Mendla pomogły wyjaśnić wyniki, które zaobserwował u swoich roślin grochu. Później genetycy odkryli, że jego prawa były prawdziwe także dla innych żywych istot, nawet dla ludzi. Odkrycia Mendla z jego pracy nad ogrodowymi roślinami groszku pomogły stworzyć dziedzinę genetyki. Jego wkład nie ograniczał się do podstawowych zasad, które odkrył. Troska Mendla o kontrolowanie warunków eksperymentu oraz jego uwaga poświęcona wynikom liczbowym wyznaczyły standard dla przyszłych eksperymentów. Z biegiem lat naukowcy zmieniali i ulepszali pomysły Mendla. Jednak nauka o genetyce nie byłaby dziś możliwa bez wczesnej pracy Gregora Mendla.

Między Mendlem a współczesną genetyką

W latach między pracą Mendla a rokiem 1900 powstały podstawy cytologii, czyli nauki o komórkach. Odkryte fakty dotyczące jądra i podziałów komórkowych były niezbędne, aby praca Mendla mogła być właściwie zrozumiana.

1832: Barthélémy Dumortier, który jako pierwszy zaobserwował podział komórek w organizmie wielokomórkowym.

1841, 1852: Robert Remak (1815-1865), żydowski fizjolog polsko-niemiecki, jako pierwszy podał fundament biologii komórki: że komórki wywodzą się tylko z innych komórek. Zostało to później spopularyzowane przez niemieckiego lekarza Rudolfa Virchowa (1821-1902), który użył słynnego sformułowania omnis cellula e cellula, co oznacza: wszystkie komórki z innych komórek.

1865: Praca Gregora Mendla, Eksperymenty nad hybrydyzacją roślin została opublikowana.

1876: Mejoza została odkryta i opisana po raz pierwszy w jajach jeżowców, przez niemieckiego biologa Oscara Hertwiga (1849-1922).

1878–1888: Walther Flemming i Eduard Strasburger opisują zachowanie chromosomów podczas mitozy.

1883: Mejoza została opisana na poziomie chromosomów, przez belgijskiego zoologa Edouarda van Benedena (1846-1910), w jajach Ascaris (glisty).

1883: Niemiecki zoolog Wilhelm Roux (1850-1924) uświadomił sobie znaczenie liniowej struktury chromosomów. Ich podział na dwie równe podłużne połówki zapewniał każdej komórce potomnej otrzymanie takiego samego dopełnienia chromosomowego. Dlatego też chromosomy były nośnikami dziedziczności.

1889: Holenderski botanik Hugo de Vries sugeruje, że "dziedziczenie specyficznych cech w organizmach zachodzi w cząsteczkach", nazywając takie cząsteczki (pan)genami.

1890: Znaczenie mejozy dla rozmnażania i dziedziczenia zostało opisane dopiero w 1890 roku przez niemieckiego biologa Augusta Weismanna (1834-1914), który zauważył, że do przekształcenia jednej diploidalnej komórki w cztery haploidalne potrzebne są dwa podziały komórkowe, jeśli liczba chromosomów ma być zachowana.

1902–1904: Theodor Boveri (1862-1915), niemiecki biolog, w serii prac zwrócił uwagę na zgodność między zachowaniem chromosomów a wynikami uzyskanymi przez Mendla. Stwierdził, że chromosomy są "niezależnymi jednostkami, które zachowują swoją niezależność nawet w spoczywającym jądrze... To, co wychodzi z jądra, jest tym, co do niego wchodzi".

1903: Walter Sutton zasugerował, że chromosomy, które segregują się w sposób mendlowski, są jednostkami dziedzicznymi. Edmund B. Wilson (1856-1939), nauczyciel Suttona i autor jednego z najsłynniejszych podręczników biologii, nazwał to hipotezą Suttona-Boveriego.

W tym momencie odkrycia w cytologii połączyły się z odkrytymi na nowo ideami Mendla, tworząc fuzję zwaną cytogenetyką, (cyto = komórka; genetyka = dziedziczność), która trwa do dziś.

Ponowne odkrycie pracy Mendla

W latach 90. XIX wieku kilku biologów zaczęło przeprowadzać eksperymenty nad hodowlą i wkrótce wyniki Mendla zostały powielone, nawet zanim jego prace zostały przeczytane. Carl Correns i Hugo de Vries byli głównymi odkrywcami pism i praw Mendla. Obaj uznali pierwszeństwo Mendla, choć jest prawdopodobne, że de Vries nie zrozumiał własnych wyników, dopóki nie przeczytał Mendla. Chociaż początkowo Erichowi von Tschermakowi również przypisywano odkrycie, nie jest to już akceptowane, ponieważ nie rozumiał on praw Mendla. Chociaż de Vries później stracił zainteresowanie mendelizmem, inni biolodzy przekształcili genetykę w naukę.

Wyniki Mendla zostały powtórzone, a powiązania genetyczne wkrótce się sprawdziły. William Bateson prawdopodobnie zrobił najwięcej w początkowym okresie, by nagłośnić teorię Mendla. Słowo genetyka, a także inna terminologia, pochodzi od Batesona.

Wyniki eksperymentów Mendla stały się później przedmiotem pewnej debaty. Fisher przeanalizował wyniki proporcji F2 (drugiego potomstwa) i stwierdził, że są one niewiarygodnie bliskie dokładnej proporcji 3 do 1. Czasami sugeruje się, że Mendel mógł ocenzurować swoje wyniki i że jego siedem cech występuje na oddzielnej parze chromosomów, co jest niezwykle mało prawdopodobne, gdyby zostały one wybrane losowo. W rzeczywistości geny badane przez Mendla występowały tylko w czterech grupach powiązań, a tylko jedna para genów (z 21 możliwych) jest na tyle bliska, że wykazuje odchylenia od niezależnego asortymentu; nie jest to para, którą badał Mendel.

Mutacje

Podczas procesu replikacji DNA czasami dochodzi do błędów. Błędy te, zwane mutacjami, mogą mieć wpływ na fenotyp organizmu. To z kolei zwykle ma wpływ na kondycję organizmu, jego zdolność do życia i rozmnażania się.

Współczynniki błędów są zwykle bardzo niskie - 1 błąd na 10-100 milionów zasad - dzięki zdolności polimeraz DNA do "korekty". W wielu wirusach wskaźniki błędów są tysiąckrotnie wyższe. Ponieważ polegają one na polimerazach DNA i RNA, którym brakuje zdolności korekty, mają one wyższe wskaźniki mutacji.

Procesy, które zwiększają tempo zmian w DNA nazywane są mutagennymi. Mutagenne substancje chemiczne zwiększają liczbę błędów w replikacji DNA, często poprzez ingerencję w strukturę łączenia zasad, podczas gdy promieniowanie UV indukuje mutacje poprzez powodowanie uszkodzeń struktury DNA. Uszkodzenia chemiczne DNA występują również w sposób naturalny, a komórki wykorzystują mechanizmy naprawcze DNA do naprawy niedopasowań i przerw w DNA - niemniej jednak, naprawa ta czasami nie przywraca DNA do jego pierwotnej sekwencji.

U organizmów, które wykorzystują krzyżówki chromosomalne do wymiany DNA i rekombinacji genów, błędy w wyrównaniu podczas mejozy mogą również powodować mutacje. Błędy w krzyżowaniu są szczególnie prawdopodobne, gdy podobne sekwencje powodują, że chromosomy partnerów przyjmują błędne ułożenie; to sprawia, że niektóre regiony w genomach są bardziej podatne na mutacje w ten sposób. Błędy te powodują duże zmiany strukturalne w sekwencji DNA - duplikacje, inwersje lub delecje całych regionów, lub przypadkową wymianę całych części pomiędzy różnymi chromosomami (zwaną translokacją).

Kwadraty Punnetta

Kwadraty Punnetta, opracowane przez Reginalda Punnetta, są używane przez biologów do określania prawdopodobieństwa posiadania przez potomstwo określonego genotypu.

Jeśli B reprezentuje allel warunkujący posiadanie czarnych włosów, a b allel warunkujący posiadanie białych włosów, to potomstwo dwojga rodziców Bb będzie miało 25% prawdopodobieństwa posiadania dwóch alleli białych włosów (bb), 50% posiadania jednego allelu każdego z nich (Bb) i 25% posiadania allelu tylko czarnych włosów (BB).

Karta rodowodowa

Genetycy (biolodzy, którzy badają genetykę) używają wykresów rodowodowych do rejestrowania cech osób w rodzinie. Korzystając z tych wykresów, genetycy mogą badać, w jaki sposób dana cecha jest dziedziczona z osoby na osobę.

Genetycy mogą również wykorzystywać wykresy rodowodowe do przewidywania, w jaki sposób cechy będą przekazywane przyszłym dzieciom w danej rodzinie. Na przykład, doradcy genetyczni są profesjonalistami pracującymi z rodzinami, które mogą być dotknięte chorobami genetycznymi. W ramach swojej pracy tworzą oni wykresy rodowodowe dla danej rodziny, które mogą być wykorzystane do badania sposobu dziedziczenia choroby.

Badania bliźniąt

Ponieważ istoty ludzkie nie są hodowane eksperymentalnie, genetyka człowieka musi być badana innymi metodami. Jednym z najnowszych sposobów jest badanie ludzkiego genomu. Innym sposobem, starszym o wiele lat, jest badanie bliźniąt. Bliźnięta jednojajowe są naturalnymi klonami. Są nosicielami tych samych genów, mogą być wykorzystane do badania, jak bardzo dziedziczność przyczynia się do rozwoju poszczególnych osób. Badania z bliźniętami są dość ciekawe. Jeśli sporządzimy listę charakterystycznych cech, okaże się, że różnią się one między sobą pod względem tego, jak wiele zawdzięczają dziedziczności. Na przykład:

• Kolor oczu: w całości dziedziczony
• Waga, wzrost: częściowo dziedziczone, częściowo środowiskowe
• Język, którym posługuje się dana osoba: całkowicie środowiskowy.

Sposób, w jaki badania są wykonywane, jest taki. Bierzemy grupę bliźniąt jednojajowych i grupę bliźniąt dwujajowych. Zmierz je pod kątem różnych cech. Zrób analizę statystyczną (taką jak analiza wariancji). To mówi ci, do jakiego stopnia cecha jest dziedziczona. Te cechy, które są częściowo dziedziczone, będą znacznie bardziej podobne u identycznych bliźniąt. Badania takie jak to mogą być prowadzone dalej, poprzez porównanie identycznych bliźniąt wychowywanych razem z identycznymi bliźniętami wychowywanymi w różnych okolicznościach. To daje uchwyt na to, jak bardzo okoliczności mogą zmienić wyniki genetycznie identycznych ludzi.

Osobą, która jako pierwsza przeprowadziła badania bliźniąt był Francis Galton, przyrodni kuzyn Darwina, który był twórcą statystyki. Jego metoda polegała na śledzeniu bliźniąt przez całe ich życie, dokonując wielu rodzajów pomiarów. Niestety, choć wiedział on o bliźniętach jednojajowych i dwujajowych, nie docenił prawdziwej różnicy genetycznej. Nowoczesne badania bliźniąt pojawiły się dopiero w latach dwudziestych XX wieku.

Genetyka bakterii, archaea i wirusów jest głównym polem badań. Bakterie dzielą się głównie przez bezpłciowy podział komórki, ale mają też rodzaj seksu przez horyzontalny transfer genów. Bakteryjne koniugacji, transdukcji i transformacji są ich metody. Ponadto, kompletna sekwencja DNA wielu bakterii, archaea i wirusów jest teraz znany.

Chociaż wielu bakteriom nadano nazwy rodzajowe i specyficzne, jak Staphylococcus aureus, cała idea gatunku jest raczej pozbawiona sensu w przypadku organizmu, który nie ma płci i krzyżowania chromosomów. Zamiast tego organizmy te mają szczepy i w ten sposób są identyfikowane w laboratorium.

Ekspresja genów

Ekspresja genu jest procesem, w którym informacja dziedziczna zawarta w genie, sekwencja par zasad DNA, jest przekształcana w funkcjonalny produkt genu, taki jak białko lub RNA. Podstawową ideą jest to, że DNA jest transkrybowane na RNA, które następnie jest tłumaczone na białka. Białka tworzą wiele struktur i wszystkie enzymy w komórce lub organizmie.

Kilka etapów w procesie ekspresji genów może być modulowanych (dostrajanych). Dotyczy to zarówno transkrypcji, jak i  translacji, a także końcowego, złożonego stanu białka. Regulacja genów włącza i wyłącza geny, a więc kontroluje różnicowanie się komórek i morfogenezę. Regulacja genów może również służyć jako podstawa zmian ewolucyjnych: kontrola czasu, miejsca i ilości ekspresji genów może mieć głęboki wpływ na rozwój organizmu. Ekspresja danego genu może być bardzo różna w różnych tkankach. Nazywa się to plejotropizmem, zjawiskiem szeroko rozpowszechnionym w genetyce.

Alternatywny splicing jest współczesnym odkryciem o ogromnym znaczeniu. Jest to proces, w którym z jednego genu może powstać duża liczba wariantów białek. Jeden konkretny gen Drosophila (DSCAM) może być alternatywnie splicowany do 38 000 różnych mRNA.

Epigenetyka i kontrola rozwoju

Epigenetyka jest badaniem zmian w aktywności genów, które nie są spowodowane zmianami w sekwencji DNA. Jest to badanie ekspresji genów, czyli sposobu, w jaki geny wywołują swoje fenotypowe efekty.

Te zmiany w aktywności genów mogą pozostać na resztę życia komórki, a także mogą trwać przez wiele pokoleń komórek, poprzez podziały komórkowe. Nie ma jednak zmiany w podstawowej sekwencji DNA organizmu. Zamiast tego, czynniki niedziedziczne powodują, że geny organizmu zachowują się (wyrażają się) inaczej.

Geny Hox stanowią kompleks genów, których białka wiążą się z regionami regulatorowymi genów docelowych. Następnie geny docelowe aktywują lub represjonują procesy komórkowe, aby kierować ostatecznym rozwojem organizmu.

Dziedziczenie pozajądrowe

Istnieją pewne rodzaje dziedziczności, które zachodzą poza jądrem komórkowym. Normalne dziedziczenie odbywa się od obojga rodziców poprzez chromosomy znajdujące się w jądrze zapłodnionej komórki jajowej. Istnieją pewne rodzaje dziedziczenia inne niż to.

Odziedziczalność organelli

Mitochondria i chloroplasty posiadają pewne własne DNA. O ich składzie decydują geny w chromosomach i geny w organellach. Carl Correns odkrył taki przykład w 1908 roku. Roślina o godzinie czwartej, Mirabilis jalapa, ma liście, które mogą być białe, zielone lub variegated. Correns odkrył, że pyłek nie ma wpływu na to dziedziczenie. O kolorze decydują geny w chloroplastach.

Dziedziczność zakaźna

Jest to spowodowane symbiotycznym lub pasożytniczym związkiem z mikroorganizmem.

Efekt matczyny

W tym przypadku transkrybowane są geny jądrowe w gamecie żeńskiej. Produkty gromadzą się w cytoplazmie jaja i mają wpływ na wczesny rozwój zapłodnionego jaja. W ten sposób determinowane jest zwijanie się muszli ślimaka Limnaea peregra. Muszle prawoskrętne mają genotyp Dd lub dd, podczas gdy muszle lewoskrętne mają genotyp dd.

Najważniejszy przykład efektu macierzyńskiego występuje u Drosophila melanogaster. Białkowy produkt genów efektu macierzyńskiego aktywuje inne geny, które z kolei aktywują jeszcze inne geny. Praca ta została nagrodzona Nagrodą Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny w 1995 roku.

Wiele współczesnych badań wykorzystuje połączenie genetyki, biologii komórki i biologii molekularnej. Tematy, które były przedmiotem Nagród Nobla w dziedzinie chemii lub fizjologii obejmują:

• Alternatywny splicing, gdzie jeden gen koduje różne pokrewne produkty białkowe.
• Genomika, sekwencjonowanie i analiza funkcji i struktury genomów.
• Inżynieria genetyczna, zmiana genomu organizmu przy użyciu biotechnologii.
• Ruchome elementy genetyczne, rodzaje DNA, które mogą zmieniać położenie w genomie.
• Horyzontalny transfer genów, gdzie organizm otrzymuje materiał genetyczny od innego organizmu, nie będąc jego potomstwem.

Genetyka zachowań ludzkich

Wiele dobrze znanych zaburzeń ludzkiego zachowania ma komponent genetyczny. Oznacza to, że ich dziedziczenie częściowo powoduje dane zachowanie lub zwiększa prawdopodobieństwo wystąpienia problemu. Przykłady obejmują:

• Autyzm
• ADHD (zaburzenia z deficytem uwagi)
• Używanie i nadużywanie narkotyków
• Podejmowanie ryzyka
• Schizofrenia

Również normalne zachowanie jest silnie uwarunkowane dziedzicznie:

• Uczenie się i zdolności poznawcze
• Osobowość

·          

·          

• ENCODE: pełna analiza ludzkiego genomu
• Terapia genowa