Genetika

DNS

Az élőlények milliónyi apró, önállóan működő alkotóelemből, úgynevezett sejtekből állnak. Minden egyes sejt belsejében hosszú és összetett molekulák, a dezoxiribonukleinsav található. A DNS tárolja azt az információt, amely megmondja a sejteknek, hogyan hozzák létre az adott élőlényt. Ezen információ azon részeit, amelyek megmondják, hogyan kell létrehozni az élőlény egy-egy kis részét vagy jellemzőjét - vörös haj, kék szem, vagy a magasra való hajlam -, géneknek nevezik.

Ugyanannak az élőlénynek minden sejtje ugyanolyan DNS-sel rendelkezik, de minden egyes sejtben csak egy részét használják fel. Például néhány gén, amely megmondja, hogyan kell a máj egyes részeit létrehozni, ki van kapcsolva az agyban. Az idő múlásával az is változhat, hogy milyen géneket használnak. Például egy gyermek a terhesség korai szakaszában sok olyan gént használ, amelyeket később nem.

Egy személynek minden génből két példánya van, egy az anyjától és egy az apjától. Egy génnek több típusa is létezhet, amelyek különböző utasításokat adnak: az egyik változat miatt lehet, hogy az illetőnek kék szeme lesz, egy másik miatt pedig barna. Ezeket a különböző változatokat a gén alléljainak nevezzük.

Mivel egy élőlénynek minden génből két példánya van, egyszerre két különböző alléllal rendelkezhet. Gyakran az egyik allél domináns, ami azt jelenti, hogy az élőlény úgy néz ki és úgy viselkedik, mintha csak ezzel az egy alléllal rendelkezne. A nem kifejezett allélt recesszívnek nevezzük. Más esetekben a két lehetőség között van valami. Ebben az esetben a két allélt ko-dominánsnak nevezzük.

Az élőlényekben látható legtöbb tulajdonságot több gén is befolyásolja. És sok génnek többszörös hatása van a szervezetre, mert a működésük nem minden szövetben lesz ugyanolyan hatással. Egyetlen gén többszörös hatását pleiotropizmusnak nevezzük. A gének összességét genotípusnak, a géneknek a szervezetre gyakorolt összes hatását pedig fenotípusnak nevezzük. Ezek a genetika kulcsfogalmai.

A DNS-molekula modellje.

A genetika története

Pre-Mendeliánus elképzelések

Tudjuk, hogy az ember már a korai időkben, valószínűleg a mezőgazdaság feltalálása előtt elkezdett háziállatokat tenyészteni. Nem tudjuk, hogy az öröklődés mikor vált először tudományos problémává. A görögök, és legnyilvánvalóan Arisztotelész, tanulmányozták az élőlényeket, és a szaporodással és az öröklődéssel kapcsolatos elképzeléseket terjesztettek elő.

A Mendel előtti talán legfontosabb gondolat Charles Darwiné volt, akinek a pangenezisről alkotott elképzelése két részből állt. Az első, miszerint a tartós öröklődő egységek nemzedékről nemzedékre öröklődnek, teljesen helyes volt. A második az az elképzelése volt, hogy ezek a szomatikus (test) szövetekből származó "gemmulák" révén újratermelődnek. Ez teljesen téves volt, és ma már nem játszik szerepet a tudományban. Darwinnak egy dologban igaza volt: bármi is történik az evolúcióban, annak az öröklődés útján kell történnie, ezért a genetika pontos tudománya alapvető fontosságú az evolúció elméletéhez. A genetika és az evolúció közötti "párosítás" megszervezése sok évet vett igénybe. Ennek eredménye lett a modern evolúciós szintézis.

Mendeli genetika

A genetika alapvető szabályait először egy Gregor Mendel nevű szerzetes fedezte fel 1865 körül. Az emberek már évezredek óta tanulmányozták, hogyan öröklődnek a tulajdonságok a szülőkről a gyermekeikre. Mendel munkája azonban más volt, mert nagyon gondosan megtervezte kísérleteit.

Kísérleteiben Mendel azt vizsgálta, hogyan öröklődnek a tulajdonságok a borsónövényekben. Keresztezéseit olyan növényekkel kezdte, amelyek valódi tenyészetekkel rendelkeztek, és azokat a tulajdonságokat számolta, amelyek a természetben vagy-vagy (magas vagy alacsony) voltak. Nagyszámú növényt nemesített, és eredményeit számszerűen fejezte ki. Tesztkeresztezésekkel mutatta ki a recesszív karakterek jelenlétét és arányát.

Mendel két tudományos törvényszerűséggel magyarázta kísérlete eredményeit:

• 1. A később géneknek nevezett faktorok általában párban fordulnak elő a közönséges testsejtekben, de a nemi sejtek kialakulása során szétválnak. Ezek a tényezők határozzák meg a szervezet tulajdonságait, és a szülőktől öröklődnek. Amikor az ivarsejtek meiózissal keletkeznek, a két faktor szétválik. Egy ivarsejt csak az egyiket vagy a másikat kapja. Ezt Mendel a szegregáció törvényének nevezte.
• 2. A különböző gének alléljai egymástól függetlenül különülnek el, amikor az ivarsejtek kialakulnak. Ezt nevezte a független szortírozás törvényének. Mendel tehát úgy gondolta, hogy a különböző tulajdonságok egymástól függetlenül öröklődnek. Ma már tudjuk, hogy ez csak akkor igaz, ha a gének nem ugyanazon a kromoszómán vannak, ebben az esetben nem kapcsolódnak egymáshoz.

Mendel törvényei segítettek megmagyarázni a borsónövényeken megfigyelt eredményeket. Később a genetikusok felfedezték, hogy törvényei más élőlényekre, még az emberre is igazak. Mendelnek a kerti borsónövényeken végzett munkájából származó megállapításai segítettek megalapozni a genetika tudományterületét. Hozzájárulása nem korlátozódott az általa felfedezett alapvető szabályokra. Mendel gondossága a kísérleti körülmények ellenőrzésére, valamint a számszerű eredményekre való odafigyelése mércét állított fel a későbbi kísérletek számára. Az évek során a tudósok megváltoztatták és továbbfejlesztették Mendel elképzeléseit. A genetika tudománya azonban ma nem lenne lehetséges Gregor Mendel korai munkája nélkül.

Mendel és a modern genetika között

A Mendel munkássága és 1900 között eltelt években alakultak ki a citológia, a sejtek tanulmányozásának alapjai. A sejtmagról és a sejtosztódásról felfedezett tények elengedhetetlenek voltak Mendel munkájának megfelelő megértéséhez.

1832: Barthélémy Dumortier, aki elsőként figyelte meg a sejtosztódást többsejtű szervezetben.

1841, 1852: Remak Róbert (1815-1865), egy lengyel-német zsidó fiziológus volt az első, aki kimondta a sejtbiológia alapjait: hogy a sejtek csak más sejtekből származnak. Ezt később Rudolf Virchow (1821-1902) német orvos népszerűsítette, aki az omnis cellula e cellula, azaz minden sejt más sejtekből származik, híres kifejezését használta.

1865: Gregor Mendel: Kísérletek a növények hibridizációjáról című tanulmánya jelent meg.

1876: Oscar Hertwig (1849-1922) német biológus fedezte fel és írta le először a meiózist a tengeri sün petéiben.

1878–1888: Walther Flemming és Eduard Strasburger leírja a kromoszómák viselkedését a mitózis során.

1883: Edouard van Beneden (1846-1910) belga zoológus a kromoszómák szintjén írta le a meiózist az Ascaris (körömféreg) petéiben.

1883: Wilhelm Roux (1850-1924) német zoológus felismerte a kromoszómák lineáris szerkezetének jelentőségét. A két egyenlő hosszanti felére való felosztásuk biztosította, hogy minden leánysejt azonos kromoszómakomplettet kapjon. Ezért a kromoszómák az öröklődés hordozói voltak.

1889: Hugo de Vries holland botanikus felveti, hogy "az organizmusokban a specifikus tulajdonságok öröklődése részecskékben történik", és ezeket a részecskéket (pán)géneknek nevezi el.

1890: August Weismann (1834-1914) német biológus csak 1890-ben írta le a meiózis jelentőségét a szaporodás és az öröklődés szempontjából, amikor megállapította, hogy két sejtosztódás szükséges ahhoz, hogy egy diploid sejtből négy haploid sejt legyen, ha a kromoszómák számát fenn kell tartani.

1902–1904: Theodor Boveri (1862-1915) német biológus egy sor tanulmányában felhívta a figyelmet a kromoszómák viselkedése és a Mendel által elért eredmények közötti megfelelésre. Azt mondta, hogy a kromoszómák "független egységek, amelyek még a nyugvó magban is megőrzik függetlenségüket... Ami a sejtmagból kijön, az megy bele".

1903: Walter Sutton felvetette, hogy a kromoszómák, amelyek Mendel szerint szegregálódnak, öröklődő egységek. Edmund B. Wilson (1856-1939), Sutton tanára és a biológia egyik leghíresebb tankönyvének szerzője ezt Sutton-Boveri-hipotézisnek nevezte.

Ezen a ponton a citológia felfedezései egyesültek Mendel újra felfedezett gondolataival, és a citogenetika (cyto = sejt; genetika = öröklődés) nevű fúzió jött létre, amely a mai napig tart.

Mendel munkásságának újrafelfedezése

Az 1890-es években számos biológus kezdett el kísérleteket végezni a nemesítéssel kapcsolatban, és hamarosan Mendel eredményeit megismételték, még mielőtt a tanulmányait elolvasták volna. Carl Correns és Hugo de Vries voltak Mendel írásainak és törvényeinek legfőbb újrafelfedezői. Mindketten elismerték Mendel elsőbbségét, bár valószínű, hogy de Vries csak Mendel elolvasása után értette meg saját eredményeit. Bár eredetileg Erich von Tschermaknak is tulajdonították az újrafelfedezést, ezt ma már nem fogadják el, mivel ő nem értette meg Mendel törvényeit. Bár de Vries később elvesztette érdeklődését a mendelizmus iránt, más biológusok a genetikát tudományággá fejlesztették.

Mendel eredményeit megismételték, és a genetikai kapcsolat hamarosan működött. A korai időkben talán William Bateson tette a legtöbbet Mendel elméletének népszerűsítéséért. A genetika szó és más szakkifejezések is Batesontól származnak.

Mendel kísérleti eredményei később némi vita tárgyát képezték. Fisher elemezte az F2 (második ivadék) arányra vonatkozó eredményeket, és úgy találta, hogy azok valószínűtlenül közel állnak a pontos 3:1 arányhoz. Néha felvetik, hogy Mendel talán cenzúrázta az eredményeit, és hogy a hét tulajdonsága mindegyike külön kromoszómapáron fordul elő, ami rendkívül valószínűtlen, ha véletlenszerűen választották ki őket. Valójában a Mendel által vizsgált gének csak négy kötődési csoportban fordultak elő, és csak egy génpár (a 21 lehetségesből) áll elég közel egymáshoz ahhoz, hogy eltérést mutasson a független szortimenttől; ez nem az a génpár, amelyet Mendel vizsgált.

Gregor Mendel, a modern genetika atyja.

A genetika eszközei

Mutációk

A DNS-replikáció folyamata során néha hibák lépnek fel. Ezek a hibák, az úgynevezett mutációk hatással lehetnek a szervezet fenotípusára. Ez pedig általában hatással van a szervezet fitneszére, vagyis arra, hogy képes-e sikeresen élni és szaporodni.

A hibaarányok általában nagyon alacsonyak - 1 hiba minden 10-100 millió bázisonként - a DNS-polimerázok "korrektúrázó" képességének köszönhetően. A hibaarányok sok vírusban ezerszer magasabbak. Mivel a DNS- és RNS-polimerázokra támaszkodnak, amelyek nem rendelkeznek korrektorolvasó képességgel, magasabb mutációs rátát kapnak.

Azokat a folyamatokat, amelyek növelik a DNS-ben bekövetkező változások sebességét, mutagénnek nevezzük. A mutagén vegyi anyagok növelik a DNS-replikáció hibáit, gyakran a bázispárosodás szerkezetének megzavarásával, míg az UV-sugárzás a DNS szerkezetének károsodásával idéz elő mutációkat. A DNS kémiai károsodása a természetben is előfordul, és a sejtek DNS-javító mechanizmusokat használnak a DNS-hibák és törések kijavítására - a javítás azonban néha nem képes a DNS eredeti szekvenciáját visszaállítani.

Azokban az élőlényekben, amelyek a DNS cseréjére és a gének rekombinációjára kromoszómális kereszteződéseket használnak, a meiózis során az összehangolás hibái is okozhatnak mutációkat. A keresztezési hibák különösen akkor valószínűek, ha a hasonló szekvenciák miatt a partner kromoszómák téves igazodást vesznek fel; ez a genomok egyes régióit hajlamosabbá teszi az ilyen módon történő mutációra. Ezek a hibák a DNS-szekvenciában nagy szerkezeti változásokat hoznak létre - duplikációkat, egész régiók inverzióit vagy delécióit, vagy egész részek véletlen cseréjét különböző kromoszómák között (úgynevezett transzlokáció).

Punnett négyzetek

A Reginald Punnett által kifejlesztett Punnett-négyzeteket a biológusok arra használják, hogy meghatározzák az utódok egy adott genotípussal való rendelkezésének valószínűségét.

		Anyai
		B	b
Apai ágon	B	BB	Bb
	b	Bb	bb

Ha a B a fekete haj allélját, a b pedig a fehér haj allélját jelenti, akkor két Bb szülő utódja 25%-os valószínűséggel rendelkezik két fehér haj alléllal (bb), 50%-os valószínűséggel rendelkezik egy-egy alléllal (Bb), és 25%-os valószínűséggel rendelkezik csak fekete haj alléllal (BB).

Törzskönyvi táblázat

A genetikusok (a genetikát tanulmányozó biológusok) a családban élő személyek tulajdonságainak rögzítésére törzskönyvi táblázatokat használnak. E táblázatok segítségével a genetikusok tanulmányozhatják, hogyan öröklődik egy tulajdonság személyről személyre.

A genetikusok a törzskönyvi táblázatok segítségével azt is meg tudják jósolni, hogy a családban a tulajdonságok hogyan öröklődnek a jövőbeli gyermekek számára. A genetikai tanácsadók például olyan szakemberek, akik olyan családokkal foglalkoznak, akiket genetikai betegségek érinthetnek. Munkájuk részeként törzskönyvi diagramokat készítenek a családról, amelyek segítségével tanulmányozhatják, hogyan öröklődhet a betegség.

Ikervizsgálatok

Mivel az embereket nem lehet kísérletileg tenyészteni, az emberi genetikát más eszközökkel kell tanulmányozni. Az egyik legújabb módszer az emberi genom tanulmányozása. Egy másik, sok évvel régebbi módszer az ikrek tanulmányozása. Az egypetéjű ikrek természetes klónok. Ugyanazokat a géneket hordozzák, rajtuk lehet vizsgálni, hogy az öröklődés mennyiben járul hozzá az egyes emberekhez. Az ikrekkel végzett vizsgálatok igen érdekesek. Ha összeállítunk egy listát a jellegzetes tulajdonságokról, azt találjuk, hogy ezek mennyire különböznek az öröklődésnek köszönhetően. Például:

• Szemszín: teljesen örökletes
• Súly, magasság: részben öröklött, részben környezeti tényezők
• Milyen nyelvet beszél egy személy: teljesen környezeti.

A vizsgálatok a következőképpen zajlanak. Vegyünk egy egypetéjű ikrekből álló csoportot és egy kétpetéjű ikrekből álló csoportot. Mérjük meg őket különböző tulajdonságok tekintetében. Végezzenek statisztikai elemzést (például varianciaanalízist). Ez megmondja, hogy az adott tulajdonság milyen mértékben öröklődik. Azok a tulajdonságok, amelyek részben öröklődnek, jelentősen hasonlóbbak lesznek az egypetéjű ikreknél. Az ehhez hasonló vizsgálatokat tovább lehet folytatni, összehasonlítva az együtt nevelt egypetéjű ikreket a különböző körülmények között nevelkedett egypetéjű ikrekkel. Ez támpontot ad arra, hogy a körülmények mennyire változtathatják meg a genetikailag azonos emberek eredményeit.

Az első, aki ikervizsgálatokat végzett, Francis Galton, Darwin fél-unokatestvére volt, aki a statisztika egyik megalapítója. Módszere az volt, hogy az ikreket végigkövette életútjukon, sokféle mérést végezve. Sajnos, bár tudott az egypetéjű és kétpetéjű ikrekről, nem értékelte a valódi genetikai különbséget. A modern típusú ikervizsgálatok csak az 1920-as években jelentek meg.

A génduplikáció redundancia biztosításával teszi lehetővé a diverzifikációt: egy gén mutálódhat és elveszítheti eredeti funkcióját anélkül, hogy az károsítaná a szervezetet.


Egy példa egy törzskönyvi diagramra.

A prokarióták és vírusok genetikája

A baktériumok, archaea és vírusok genetikája jelentős kutatási terület. A baktériumok többnyire aszexuális sejtosztódással osztódnak, de van egyfajta nemük a horizontális génátvitel révén. A baktériumok konjugációja, transzdukciója és transzformációja a módszereik. Emellett ma már számos baktérium, archaea és vírus teljes DNS-szekvenciája ismert.

Bár sok baktériumnak adtak általános és specifikus nevet, mint például a Staphylococcus aureusnak, a faj fogalma meglehetősen értelmetlen egy olyan szervezet esetében, amelynek nincsenek nemei és nincs kromoszómák kereszteződése. Ehelyett ezeknek a szervezeteknek törzseik vannak, és így azonosítják őket a laboratóriumban.

Gének és fejlődés

Génexpresszió

A génexpresszió az a folyamat, amelynek során a génben lévő örökletes információ, a DNS-bázispárok szekvenciája funkcionális géntermékké, például fehérjévé vagy RNS-é alakul. Az alapgondolat az, hogy a DNS-t RNS-vé írják át, amely aztán fehérjékké fordítódik. A fehérjék alkotják a sejt vagy szervezet számos szerkezetét és az összes enzimet.

A génexpressziós folyamat több lépése is módosítható (hangolható). Ez magában foglalja mind a transzkripciót és a  transzlációt, mind pedig a fehérje végső összehajtott állapotát. A génszabályozás be- és kikapcsolja a géneket, és így irányítja a sejtdifferenciálódást, valamint a morfogenezist. A génszabályozás az evolúciós változások alapjául is szolgálhat: a génexpresszió időzítésének, helyének és mennyiségének szabályozása mélyreható hatással lehet a szervezet fejlődésére. Egy gén kifejeződése nagymértékben változhat a különböző szövetekben. Ezt nevezzük pleiotropizmusnak, amely a genetikában széles körben elterjedt jelenség.

Az alternatív splicing nagy jelentőségű modern felfedezés. Ez egy olyan folyamat, amelynek során egyetlen génből nagyszámú változatos fehérje állítható össze. Egy bizonyos Drosophila gén (DSCAM) 38 000 különböző mRNS-t képes alternatív módon splicelni.

Epigenetika és a fejlődés irányítása

Az epigenetika a génaktivitásban bekövetkező olyan változások tanulmányozása, amelyeket nem a DNS-szekvencia változásai okoznak. Ez a génexpresszió tanulmányozása, vagyis az a mód, ahogyan a gének fenotípusos hatásaikat kifejtik.

A génaktivitásban bekövetkező változások a sejt hátralévő életében is megmaradhatnak, és a sejtosztódások révén a sejtek több generációján keresztül is fennmaradhatnak. A szervezet alapjául szolgáló DNS-szekvencia azonban nem változik. Ehelyett nem örökletes tényezők hatására a szervezet génjei másképp viselkednek (fejezik ki magukat).

A Hox-gének olyan génkomplexumot alkotnak, amelynek fehérjéi a célgének szabályozó régióihoz kötődnek. A célgének ezután aktiválják vagy elnyomják a sejtfolyamatokat, hogy irányítsák a szervezet végső fejlődését.

Extranukleáris öröklődés

Vannak olyan öröklődések, amelyek a sejtmagon kívül történnek. A normális öröklődés mindkét szülőtől a megtermékenyített petesejt sejtmagjában lévő kromoszómákon keresztül történik. Vannak ettől eltérő öröklődések is.

Organellek öröklődése

A mitokondriumok és a kloroplasztiszok saját DNS-t hordoznak. Felépítésükről a kromoszómákban és a szervsejtekben található gének döntenek. Carl Correns 1908-ban fedezett fel egy példát. A négyórás növény, a Mirabilis jalapa levelei lehetnek fehérek, zöldek vagy tarka színűek. Correns felfedezte, hogy a virágpornak nincs befolyása erre az öröklődésre. A színről a kloroplasztiszokban lévő gének döntenek.

Fertőző öröklődés

Ezt egy mikroorganizmussal való szimbiózis vagy parazita kapcsolat okozza.

Anyai hatás

Ebben az esetben a női ivarsejtben lévő nukleáris gének átíródnak. A termékek felhalmozódnak a petesejt citoplazmájában, és hatással vannak a megtermékenyített petesejt korai fejlődésére. A csiga, a Limnaea peregra tekeredése így határozódik meg. A jobbra forduló héjak Dd vagy dd genotípusúak, míg a balra forduló héjak dd genotípusúak.

Az anyai hatás legfontosabb példája a Drosophila melanogaster. Az anyai hatású gének fehérjetermékei más géneket aktiválnak, amelyek viszont még több gént aktiválnak. Ez a munka 1995-ben élettani vagy orvosi Nobel-díjat kapott.

A modern genetika aspektusai

A modern kutatások nagy része a genetika, a sejtbiológia és a molekuláris biológia keverékét használja. A kémiai vagy fiziológiai Nobel-díjjal kitüntetett témák közé tartoznak a következők:

• Alternatív splicing, amikor egy gén többféle rokon fehérjeterméket kódol.
• Genomika, a genomok szekvenciája és funkciójának és szerkezetének elemzése.
• Géntechnológia, egy szervezet genomjának módosítása biotechnológia segítségével.
• Mobil genetikai elemek, olyan DNS-típusok, amelyek képesek megváltoztatni a genomban elfoglalt helyüket.
• Horizontális génátvitel, amikor egy szervezet genetikai anyagot kap egy másik szervezettől anélkül, hogy annak utóda lenne.

Az emberi viselkedés genetikája

Az emberi viselkedés számos jól ismert rendellenességének van genetikai összetevője. Ez azt jelenti, hogy az öröklődés részben okozza a viselkedést, vagy valószínűbbé teszi a probléma kialakulását. Példák erre:

• Autizmus
• ADHD (figyelemhiányos zavar)
• Kábítószer-használat és visszaélés
• Kockázatvállalás
• Skizofrénia

A normális viselkedést is nagyban befolyásolja az öröklődés:

• Tanulási és kognitív képességek
• Személyiség

·          

·          

Kapcsolódó oldalak

• ENCODE: az emberi genom teljes elemzése
• Génterápia