Genetika: veda o dedičnosti, génoch a biologickej variabilite

Živé organizmy sa skladajú z miliónov malých samostatných súčastí nazývaných bunky. Vo vnútri každej bunky sa nachádzajú dlhé a zložité molekuly nazývané deoxyribonukleová kyselina. DNA uchováva informácie, ktoré bunkám hovoria, ako vytvoriť danú živú bytosť. Časti tejto informácie, ktoré hovoria o tom, ako vytvoriť jednu malú časť alebo vlastnosť živej bytosti - ryšavé vlasy, modré oči alebo sklon byť vysoký - sa nazývajú gény.

Každá bunka toho istého živého organizmu má rovnakú DNA, ale v každej bunke sa používa len jej časť. Napríklad niektoré gény, ktoré určujú, ako sa vytvárajú časti pečene, sú v mozgu vypnuté. To, ktoré gény sa používajú, sa môže časom meniť. Napríklad na začiatku tehotenstva dieťa používa veľa génov, ktoré sa neskôr nepoužívajú.

Človek má dve kópie každého génu, jednu od matky a jednu od otca. Môže existovať niekoľko typov jedného génu, ktoré dávajú rôzne inštrukcie: jedna verzia môže spôsobiť, že človek bude mať modré oči, iná môže spôsobiť, že bude mať hnedé. Tieto rôzne verzie sa nazývajú alely génu.

Keďže živý organizmus má dve kópie každého génu, môže mať súčasne dve rôzne alely. Často je jedna alela dominantná, čo znamená, že živá bytosť vyzerá a správa sa, akoby mala len túto jednu alelu. Nevyjadrená alela sa nazýva recesívna. V iných prípadoch sa skončí niečo medzi týmito dvoma možnosťami. V takom prípade sa obe alely nazývajú ko-dominantné.

Väčšina vlastností, ktoré môžete vidieť u živých organizmov, má viacero génov, ktoré ich ovplyvňujú. A mnohé gény majú na organizmus viacero účinkov, pretože ich funkcia nebude mať v každom tkanive rovnaký účinok. Viacnásobné účinky jedného génu sa nazývajú pleiotropizmus. Celý súbor génov sa nazýva genotyp a celkový účinok génov na organizmus sa nazýva fenotyp. Ide o kľúčové pojmy v genetike.

Predmendelovské myšlienky

Vieme, že človek začal chovať domáce zvieratá už v dávnych dobách, pravdepodobne ešte pred vynájdením poľnohospodárstva. Nevieme, kedy bola dedičnosť po prvýkrát ocenená ako vedecký problém. Gréci a zrejme najviac Aristoteles skúmali živé organizmy a navrhovali myšlienky o rozmnožovaní a dedičnosti.

Pravdepodobne najdôležitejšou myšlienkou pred Mendelom bola myšlienka Charlesa Darwina, ktorého idea pangenézy mala dve časti. Prvá, že trvalé dedičné jednotky sa prenášajú z jednej generácie na druhú, bola celkom správna. Druhou bola jeho myšlienka, že sa dopĺňajú "gemmulami" zo somatických (telesných) tkanív. To bolo úplne nesprávne a dnes to vo vede nehrá žiadnu úlohu. Darwin mal pravdu v jednej veci: všetko, čo sa v evolúcii deje, sa musí diať prostredníctvom dedičnosti, a preto je presná veda o genetike základom evolučnej teórie. Toto "spájanie" genetiky a evolúcie trvalo mnoho rokov. Jeho výsledkom je moderná evolučná syntéza.

Mendelova genetika

Základné pravidlá genetiky objavil mních Gregor Mendel okolo roku 1865. Ľudia už tisíce rokov skúmali, ako sa znaky dedia z rodičov na deti. Mendelova práca však bola iná, pretože svoje experimenty navrhoval veľmi starostlivo.

Mendel vo svojich pokusoch skúmal, ako sa vlastnosti prenášajú na rastliny hrachu. Svoje kríženia začínal s rastlinami, ktoré boli pravé, a počítal znaky, ktoré boli v prírode buď/alebo (buď vysoké, alebo nízke). Choval veľké množstvo rastlín a svoje výsledky vyjadroval číselne. Na odhalenie prítomnosti a podielu recesívnych znakov použil testovacie kríženia.

Mendel vysvetlil výsledky svojho experimentu pomocou dvoch vedeckých zákonov:

• 1. Faktory, neskôr nazývané gény, sa v bežných telesných bunkách bežne vyskytujú v pároch, ale pri vzniku pohlavných buniek sa oddeľujú. Tieto faktory určujú vlastnosti organizmu a dedia sa od rodičov. Pri vzniku gamét meiózou sa tieto dva faktory oddelia. Gaméta dostane len jeden alebo druhý. Toto Mendel nazval zákonom segregácie.
• 2. Alely rôznych génov sa pri tvorbe gamét oddeľujú nezávisle od seba. Tento zákon nazýva zákon nezávislého rozdelenia. Mendel si teda myslel, že rôzne znaky sa dedia nezávisle od seba. Dnes vieme, že to platí len vtedy, ak sa gény nenachádzajú na tom istom chromozóme, v takom prípade nie sú navzájom prepojené.

Mendelove zákony pomohli vysvetliť výsledky, ktoré pozoroval na svojich rastlinách hrachu. Neskôr genetici zistili, že jeho zákony platia aj pre iné živé organizmy, dokonca aj pre ľudí. Mendelove zistenia z jeho práce na záhradných hráškových rastlinách pomohli založiť odbor genetiky. Jeho prínos sa neobmedzil len na základné pravidlá, ktoré objavil. Mendelova starostlivosť o kontrolu podmienok experimentu spolu s jeho pozornosťou venovanou číselným výsledkom stanovili štandard pre budúce experimenty. V priebehu rokov vedci Mendelove myšlienky menili a vylepšovali. Veda o genetike by však dnes nebola možná bez ranej práce Gregora Mendela.

Medzi Mendelom a modernou genetikou

V období medzi Mendelovou prácou a rokom 1900 sa vytvorili základy cytológie, teda štúdia buniek. Zistené skutočnosti o jadre a delení buniek boli nevyhnutné na správne pochopenie Mendelovej práce.

1832: Barthélémy Dumortier, ktorý ako prvý pozoroval delenie buniek v mnohobunkovom organizme.

1841, 1852: Robert Remak (1815 - 1865), židovský poľsko-nemecký fyziológ, ako prvý uviedol základ bunkovej biológie: bunky vznikajú len z iných buniek. Neskôr to spopularizoval nemecký lekár Rudolf Virchow (1821 - 1902), ktorý použil slávnu vetu omnis cellula e cellula, čo znamená všetky bunky z iných buniek.

1865: Mendel publikoval prácu Experiments on plant hybridization.

1876: V roku 1876 nemecký biológ Oscar Hertwig (1849-1922) objavil a prvýkrát opísal meiózu vo vajíčkach morských ježkov.

1878–1888: Walther Flemming a Eduard Strasburger opisujú správanie chromozómov počas mitózy.

1883: Belgický zoológ Edouard van Beneden (1846-1910) opísal meiózu na úrovni chromozómov na vajíčkach škrkavky (Ascaris).

1883: Wilhelm Roux (1850-1924) si uvedomil význam lineárnej štruktúry chromozómov. Ich rozdelenie na dve rovnaké pozdĺžne polovice zabezpečilo, že každá dcérska bunka dostala rovnaký chromozómový doplnok. Preto boli chromozómy nositeľmi dedičnosti.

1889: V roku 1889 holandský botanik Hugo de Vries navrhuje, že "dedičnosť špecifických znakov v organizmoch prichádza v časticiach" a nazýva ich (pan)gény.

1890: Weismann (1834-1914), ktorý si všimol, že na premenu jednej diploidnej bunky na štyri haploidné sú potrebné dve delenia, ak sa má zachovať počet chromozómov.

1902–1904: Theodor Boveri (1862-1915), nemecký biológ, v sérii článkov upozornil na zhodu medzi správaním chromozómov a výsledkami, ktoré dosiahol Mendel. Uviedol, že chromozómy sú "nezávislé entity, ktoré si zachovávajú svoju nezávislosť aj v pokojnom jadre... To, čo vychádza z jadra, je to, čo do neho vstupuje".

1903: Walter Sutton navrhol, že chromozómy, ktoré sa segregujú mendelovským spôsobom, sú dedičné jednotky. Edmund B. Wilson (1856 - 1939), Suttonov učiteľ a autor jednej z najznámejších učebníc biológie, to nazval Suttonovou-Boveriho hypotézou.

V tomto bode sa spojili objavy v cytológii so znovuobjavenými myšlienkami Mendela a vytvorili spojenie nazývané cytogenetika (cyto = bunka; genetika = dedičnosť), ktoré pretrváva dodnes.

Znovuobjavenie Mendelovej práce

V 90. rokoch 19. storočia začali viacerí biológovia robiť pokusy so šľachtením a čoskoro boli Mendelove výsledky zopakované ešte skôr, ako boli jeho práce prečítané. Carl Correns a Hugo de Vries boli hlavnými znovuobjaviteľmi Mendelových prác a zákonov. Obaja uznali Mendelovu prioritu, hoci je pravdepodobné, že de Vries pochopil svoje vlastné výsledky až po prečítaní Mendela. Hoci sa pôvodne pripisovalo znovuobjavenie aj Erichovi von Tschermakovi, dnes sa to už neprijíma, pretože Mendelove zákony nepochopil. Hoci de Vries neskôr stratil záujem o mendelizmus, iní biológovia vybudovali z genetiky vedu.

Mendelove výsledky boli zopakované a genetická väzba sa čoskoro ukázala. William Bateson sa v prvých dňoch pravdepodobne najviac zaslúžil o zverejnenie Mendelovej teórie. Slovo genetika a ďalšia terminológia pochádzajú od Batesona.

Mendelove experimentálne výsledky sa neskôr stali predmetom diskusií. Fisher analyzoval výsledky pomeru F2 (druhá dcéra) a zistil, že sú nepravdepodobne blízke presnému pomeru 3:1. Niekedy sa predpokladá, že Mendel mohol svoje výsledky cenzurovať a že jeho sedem znakov sa vyskytuje každý na samostatnom chromozómovom páre, čo je veľmi nepravdepodobné, ak boli vybrané náhodne. V skutočnosti sa gény, ktoré Mendel skúmal, vyskytovali len v štyroch väzbových skupinách a len jeden génový pár (z 21 možných) je dostatočne blízky na to, aby vykazoval odchýlku od nezávislého sortimentu; tento pár Mendel neskúmal.

Mutácie

Počas procesu replikácie DNA niekedy dochádza k chybám. Tieto chyby, nazývané mutácie, môžu mať vplyv na fenotyp organizmu. To má zvyčajne vplyv na zdatnosť organizmu, jeho schopnosť žiť a úspešne sa rozmnožovať.

Počet chýb je zvyčajne veľmi nízky - 1 chyba na každých 10 až 100 miliónov báz - vďaka "korektívnej" schopnosti DNA polymeráz. V mnohých vírusoch je počet chýb tisíckrát vyšší. Pretože sa spoliehajú na DNA a RNA polymerázy, ktoré nemajú schopnosť korektúry, majú vyššiu mieru mutácií.

Procesy, ktoré zvyšujú rýchlosť zmien v DNA, sa nazývajú mutagénne. Mutagénne chemické látky zvyšujú počet chýb pri replikácii DNA, často zásahom do štruktúry párovania báz, zatiaľ čo UV žiarenie vyvoláva mutácie poškodením štruktúry DNA. Chemické poškodenie DNA sa vyskytuje aj prirodzene a bunky používajú mechanizmy opravy DNA na opravu nezhodných a zlomov v DNA - napriek tomu sa oprava niekedy nepodarí vrátiť DNA do pôvodnej sekvencie.

V organizmoch, ktoré používajú chromozómové kríženie na výmenu DNA a rekombináciu génov, môžu chyby v usporiadaní počas meiózy tiež spôsobiť mutácie. Chyby pri krížení sú obzvlášť pravdepodobné, keď podobné sekvencie spôsobia, že partnerské chromozómy prijmú chybné zarovnanie; to spôsobuje, že niektoré oblasti v genómoch sú náchylnejšie na mutáciu týmto spôsobom. Tieto chyby vytvárajú veľké štrukturálne zmeny v sekvencii DNA - duplikácie, inverzie alebo delécie celých oblastí alebo náhodnú výmenu celých častí medzi rôznymi chromozómami (tzv. translokácia).

Punnettove štvorce

Punnettove štvorce, ktoré vyvinul Reginald Punnett, používajú biológovia na určenie pravdepodobnosti, že potomok bude mať určitý genotyp.

Ak B predstavuje alelu pre čierne vlasy a b predstavuje alelu pre biele vlasy, potomok dvoch rodičov Bb bude mať 25 % pravdepodobnosť, že bude mať dve alely pre biele vlasy (bb), 50 %, že bude mať po jednej alele (Bb), a 25 %, že bude mať len alelu pre čierne vlasy (BB).

Rodokmeňový diagram

Genetici (biológovia, ktorí sa zaoberajú genetikou) používajú rodokmene na zaznamenávanie znakov ľudí v rodine. Pomocou týchto tabuliek môžu genetici študovať, ako sa znaky dedia z človeka na človeka.

Genetici môžu tiež používať rodokmene na predpovedanie toho, ako sa budú vlastnosti prenášať na budúce deti v rodine. Napríklad genetickí poradcovia sú odborníci, ktorí pracujú s rodinami, ktoré môžu byť postihnuté genetickými chorobami. V rámci svojej práce vytvárajú rodokmene rodín, ktoré sa dajú použiť na štúdium toho, ako sa choroba môže dediť.

Štúdie dvojčiat

Keďže ľudské bytosti sa nedajú experimentálne chovať, ľudská genetika sa musí skúmať inými prostriedkami. Jedným z najnovších spôsobov je štúdium ľudského genómu. Ďalším, o mnoho rokov starším spôsobom je štúdium dvojčiat. Jednovaječné dvojčatá sú prirodzené klony. Sú nositeľmi rovnakých génov, možno ich použiť na skúmanie toho, do akej miery sa dedičnosť podieľa na jednotlivých ľuďoch. Štúdie s dvojčatami boli pomerne zaujímavé. Ak zostavíme zoznam charakteristických vlastností, zistíme, že sa líšia v tom, za koľko vďačia dedičnosti. Napríklad:

• Farba očí: úplne zdedená
• Hmotnosť, výška: čiastočne dedičné, čiastočne environmentálne
• Ktorým jazykom človek hovorí: výlučne environmentálne.

Štúdie sa robia nasledovne. Vezmite si skupinu jednovaječných dvojčiat a skupinu dvojvaječných dvojčiat. Zmerajte im rôzne vlastnosti. Urobte štatistickú analýzu (napríklad analýzu rozptylu). To vám ukáže, do akej miery je daná vlastnosť dedičná. Tie vlastnosti, ktoré sú čiastočne dedičné, budú u jednovaječných dvojčiat výrazne podobnejšie. Takéto štúdie sa môžu ďalej rozvíjať porovnávaním jednovaječných dvojčiat vychovávaných spoločne s jednovaječnými dvojčatami vychovávanými v rôznych podmienkach. To umožňuje zistiť, ako veľmi môžu okolnosti zmeniť výsledky geneticky identických ľudí.

Osobou, ktorá ako prvá uskutočnila štúdie dvojčiat, bol Francis Galton, Darwinov nevlastný bratranec, ktorý bol zakladateľom štatistiky. Jeho metóda spočívala v sledovaní dvojčiat v priebehu ich života a v mnohých druhoch meraní. Žiaľ, hoci vedel o jednovaječných a dvojvaječných dvojčatách, nedocenil skutočný genetický rozdiel. Štúdie dvojčiat moderného typu sa objavili až v 20. rokoch 20. storočia.

Genetika baktérií, archeí a vírusov je významnou oblasťou výskumu. Baktérie sa väčšinou delia asexuálnym delením buniek, ale majú aj druh pohlavia prostredníctvom horizontálneho prenosu génov. Ich metódami sú konjugácia, transdukcia a transformácia baktérií. Okrem toho je v súčasnosti známa kompletná sekvencia DNA mnohých baktérií, archeí a vírusov.

Hoci mnohé baktérie dostali druhové a špecifické názvy, ako napríklad Staphylococcus aureus, celá myšlienka druhu je dosť nezmyselná pre organizmus, ktorý nemá pohlavia a kríženie chromozómov. Namiesto toho majú tieto organizmy kmene a takto sa identifikujú v laboratóriu.

Expresia génov

Expresia génu je proces, pri ktorom sa dedičná informácia v géne, sekvencia párov báz DNA, mení na funkčný génový produkt, ako je proteín alebo RNA. Základnou myšlienkou je, že DNA sa prepisuje do RNA, ktorá sa potom prekladá do proteínov. Proteíny tvoria mnohé štruktúry a všetky enzýmy v bunke alebo organizme.

V procese expresie génov možno modulovať (nastaviť) niekoľko krokov. Patrí sem transkripcia aj preklad a konečný zložený stav proteínu. Regulácia génov zapína a vypína gény, a tak riadi diferenciáciu buniek a morfogenézu. Regulácia génov môže slúžiť aj ako základ evolučných zmien: kontrola načasovania, umiestnenia a množstva génovej expresie môže mať zásadný vplyv na vývoj organizmu. Expresia génu sa môže v rôznych tkanivách veľmi líšiť. Nazýva sa to pleiotropizmus, čo je v genetike rozšírený jav.

Alternatívne spájanie je moderný objav veľkého významu. Je to proces, pri ktorom sa z jedného génu môže zostaviť veľké množstvo variantných proteínov. Jeden konkrétny gén Drosophila (DSCAM) môže byť alternatívne zostrihaný do 38 000 rôznych mRNA.

Epigenetika a kontrola vývoja

Epigenetika je štúdium zmien v aktivite génov, ktoré nie sú spôsobené zmenami v sekvencii DNA. Je to štúdium génovej expresie, spôsobu, akým gény vyvolávajú svoje fenotypové účinky.

Tieto zmeny v aktivite génov môžu pretrvávať po celý zvyšok života bunky a môžu pretrvávať aj v mnohých generáciách buniek, a to prostredníctvom bunkových delení. V základnej sekvencii DNA organizmu však nedochádza k žiadnej zmene. Namiesto toho nededičné faktory spôsobujú, že gény organizmu sa správajú (prejavujú) inak.

Hox gény sú komplexom génov, ktorých proteíny sa viažu na regulačné oblasti cieľových génov. Cieľové gény potom aktivujú alebo potláčajú bunkové procesy a riadia konečný vývoj organizmu.

Extranukleárna dedičnosť

Niektoré druhy dedičnosti sa odohrávajú mimo bunkového jadra. Normálna dedičnosť prebieha od oboch rodičov prostredníctvom chromozómov v jadre oplodnenej vajíčkovej bunky. Existujú aj iné druhy dedičnosti.

Dedičnosť organel

Mitochondrie a chloroplasty nesú určitú vlastnú DNA. O ich zložení rozhodujú gény v chromozómoch a gény v organelách. Carl Correns objavil príklad v roku 1908. Štvorlístok Mirabilis jalapa má listy, ktoré môžu byť biele, zelené alebo pestré. Correns zistil, že peľ nemá na túto dedičnosť žiadny vplyv. O farbe rozhodujú gény v chloroplastoch.

Infekčná dedičnosť

Príčinou je symbiotický alebo parazitický vzťah s mikroorganizmom.

Vplyv matky

V tomto prípade sa prepisujú jadrové gény v ženskej gamete. Produkty sa hromadia v cytoplazme vajíčka a majú vplyv na skorý vývoj oplodneného vajíčka. Takto je determinované zavinutie slimáka Limnaea peregra. Pravotočivé ulity sú genotypy Dd alebo dd, zatiaľ čo ľavotočivé ulity sú dd.

Najdôležitejším príkladom materského efektu je Drosophila melanogaster. Proteínové produkty génov s materským efektom aktivujú iné gény, ktoré zasa aktivujú ešte viac génov. Za túto prácu bola v roku 1995 udelená Nobelova cena za fyziológiu alebo medicínu.

Veľká časť moderného výskumu využíva kombináciu genetiky, bunkovej biológie a molekulárnej biológie. Medzi témy, ktoré boli predmetom Nobelovej ceny za chémiu alebo fyziológiu, patria:

• Alternatívne spájanie, pri ktorom jeden gén kóduje rôzne príbuzné proteínové produkty.
• Genomika, sekvenovanie a analýza funkcie a štruktúry genómov.
• Genetické inžinierstvo, zmena genómu organizmu pomocou biotechnológie.
• Mobilné genetické prvky, typy DNA, ktoré môžu meniť svoju pozíciu v genóme.
• Horizontálny prenos génov, keď organizmus získava genetický materiál od iného organizmu bez toho, aby bol jeho potomkom.

Genetika ľudského správania

Mnohé známe poruchy ľudského správania majú genetickú zložku. To znamená, že ich dedičnosť čiastočne spôsobuje dané správanie alebo zvyšuje pravdepodobnosť výskytu problému. Medzi príklady patria:

• Autizmus
• ADHD (porucha pozornosti)
• Užívanie a zneužívanie drog
• Podstupovanie rizika
• Schizofrénia

Aj normálne správanie je do veľkej miery ovplyvnené dedičnosťou:

• Učenie a kognitívne schopnosti
• Osobnosť

·          

·          

• ENCODE: kompletná analýza ľudského genómu
• Génová terapia