Генетика (од старогрчки: γενετικός генетикос, „да роди“ и од γένεσις генезис, „потекло“)[1][2][3] или наследознание — гранка на биологијата што се занимава со проучување на гените, наследноста и варијацијата кај живите организми.[4][5]
Генетиката се справува со прашања какви што се молекуларната градба и функција на гените, однесувањето на гените во контекст на клетка или организам (на пример, доминантност и епигенетика), закономерностите на наследување од родителите до потомството, како и генската распределба, варијација и промена во популациите. Поради тоа што гените се универзални за сите живи организми, генетиката може да се користи за проучување на сите живи системи, од вируси до бактерии, преку растенијата и домашните животни, до човекот (како што е во медицинската генетика).
Фактот што живите суштества наследуваат белези од нивните родители е користен уште од праисториските времиња за да се подобрат земјоделските растенија и животни по пат на селективно размножување. Меѓутоа, современата наука генетика, која се обидува да го сфати процесот на наследување, е зачната со работата на Грегор Мендел во средината на XIX век.[6] Иако тој не ја познавал физичката основа на наследноста, Мендел воочил дека организмите наследуваат белези преку дискретни единици на наследувањето кои денес се нарекуваат гени.
Гените соодветствуваат на подрачја во рамките на ДНК, молекула составена од ланец од четири различни видови на нуклеотиди — последователноста (низата) од овие нуклеотиди е генетската информација која организмите ја наследуваат. Природно ДНК се среќава во двонишковидна форма, при што нуклеотидите на секоја нишка се комплементарни еден со друг. Секоја нишка може да биде шаблон за создавање на нова партнерска нишка. Ова е физичкиот метод за создавање копии од гени кои можат да се наследат.
Низата од нуклеотиди во еден ген се транслира (преведува) од страна на клетките при што се добива ланец од аминокиселини кои создаваат белковини — редоследот на аминокиселините во една белковина соодветствува на редоследот на нуклеотиди во генот. Врската меѓу нуклеотидната низа и аминокиселинската низа е позната како генетски код. Аминокиселините во белковината одредуваат на кој начин таа ќе се извие во тридимензионален облик; а од своја страна, оваа структура е одговорна за функцијата на белковината. Белковините ги имаат речиси сите функции потребни на клетката за нејзиниот опстанок. Промена на ДНК во генот може да ги измени аминокиселините на белковината, со што се менува нејзиниот облик и функција: ова може да има драматичен ефект на клетката и на организмот во целост.
Иако генетиката игра голема улога во изгледот и однесувањето на организмите, всушност комбинацијата од генетика и она што организмот го искусува во текот на животот е одлучувачко за крајниот исход. На пример, додека гените имаат улога во одредувањето на големината на организмот, исхраната и здравјето со кои е соочен истиот по зачнувањето имаат исто така големо влијание.
Иако почетокот на генетиката е обележан со применетата и теоретска работа на Грегор Мендел од средината на XIX век, сепак други теории за наследувањето биле создавани и пред Мендел. Позната теорија во Менделовото време бил концептот на наследување со мешање: според овој концепт, единките наследуваат мешавина од белезите на нивните родители. Работата на Мендел покажала дека ова не е точно, односно белезите се составени од комбинации на различни гени наместо континуирана мешавина. Друга теорија која делумно била поддржувана во тоа време е теоријата на наследување на стекнатите одлики: верување дека единките наследуваат белези кои се засилуваат започнувајќи од нивните родители. За оваа теорија (најчесто сврзувана со Жан Батист Ламарк) денес е познато дека е неточна — искуствата со кои се стекнале единките не влијаат на гените кои ги предаваат на нивните деца.[7][а] Други теории биле теоријата на пангенеза на Чарлс Дарвин (која имала како стекнати, така и наследни аспекти) и преформулацијата на пангенезата на Френсис Галтон.[8]
Менделова и класична генетика
Современата генетика започнала со Грегор Јохан Мендел, австриски августински свештеник и научник кој ја проучувал природата на наследувањето кај растенијата. Во својот труд „Versuche über Pflanzenhybriden“ („Експерименти со хибридизација на растенијата“), објавен 1865 во Naturforschender Verein (Друштво за истражување на природата) во Брно, Мендел ги следел закономерностите на наследување на некои белези кај грашок и нив ги опишал математички.[9] Иако закономерноста на наследувањето може да се следи само за неколку белези, работата на Мендел навестувала дека наследството е партикуларно, не стекнато, и дека закономерностите на наследување на многу белези можат да се објаснат со едноставни правила и односи.
Важноста на работата на Мендел не била разбрана сè до 1890, по неговата смрт, кога другите научници кои работеле на слични проблеми повторно ја откриле неговата работа. Вилијам Бејтсон, приврзаник на работата на Мендел, го составил зборот „генетика“ во 1905.[10][11]
По откривањето на работата на Мендел, научниците се обидувале да одредат кои молекули во клетката биле одговорни за наследувањето. Во 1910, Томас Хант Морган зборувал дека гените се наоѓаат на хромозомите, врз основа на набљудувањата на полово-сврзаната белоочна мутација кај винската мушичка.[12] Во 1913, неговиот студент Алфред Штуртевант го искористил феноменот на генетско сврзување да покаже дека гените се распоредени линеарно на хромозомот.[13]
Молекуларна генетика
Иако се знаело дека гените се наоѓаат на хромозомите, сепак, хромозомите се составени од белковини и ДНК, па затоа на научниците не им било познато која всушност од овие компоненти е одговорна за наследувањето. Во 1928, Фредерик Грифит го открил феноменот на трансформација (види Експеримент на Грифит): мртвите бактерии можат да трансферираат генетски материјал за да ги „трансформираат“ другите сè уште живи бактерии. Шеснаесет години подоцна, во 1944, Освалд Теодор Овери, Колин Меклаод и Меклин Мекарти ја препознале молекулата одговорна за трансформација како ДНК.[14] Експериментот Херши-Чејс во 1952 исто така покажал дека ДНК (наместо белковина) е генетскиот материјал кај вирусите кои ги инфицираат бактериите, обезбедувајќи уште докази за тоа дека ДНК е молекулата одговорна за наследувањето.[15] Улогата на јадрото како складиште на генетската информација кај еукариотите е потврдена од Хемерлинг во 1943, во неговата работа со едноклеточната алга Acetabularia.[16]
Џејмс Вотсон и Френсис Крик ја откриле градбата на ДНК во 1953, користејќи ја работата на Розалинд Френклин и Морис Вилкинс со рендгенска кристалографија која укажала на тоа дека ДНК има завојна структура.[17][18] Нивниот модел на двоен завојница имал две нишки од ДНК, при што нуклеотидите се насочени навнатре и секој се поврзува со комплементарен нуклеотид на другата нишка, со што се добива изглед на скалила со извиени рабови.[19] Оваа структура покажала дека генетската информација постои во низата на нуклеотиди на секоја нишка од ДНК. Структурата исто така укажала на едноставен метод на дупликација: ако нишките се одвојат, нови партнерски нишки можат да се реконструираат врз основа на низата од старата нишка.
Иако структурата на ДНК покажала на кој начин функционира наследноста, сè уште не било познато како ДНК влијае врз однесувањето и функционирањето на клетките. Во годините кои следувале, научниците се обидувале да сфатат како ДНК го контролира процесот на производство на белковини. Се открило дека клетката ја користи ДНК како шаблон за синтеза на соодветна информациска РНК (молекула составена од нуклеотиди, многу слична на ДНК). Нуклеотидната низа на информациската РНК се користи за да се создаде аминокиселинска низа во белковината; оваа транслација меѓу нуклеотидните и аминокиселински низи е позната како генетски код.
Ова молекуларно разбирање на наследноста отворило пат на многу истражувања. Едно важно откритие било секвенционирањето на ДНК со терминација на ланецот, развиено во 1977 од страна на Фредерик Сангер. Оваа технологија им овозможува на научниците да ја читаат нуклеотидната низа на ДНК молекулата.[20] Во 1983, Кери Бенкс Мулис ја развил полимеразната верижна реакција, овозможувајќи брз начин да се изолира и засили одреден дел ДНК од смеса.[21] Со напорите вложени во Проектот за човечкиот геном (Human Genome Project), како и приватната работа на Celera Genomics, овие и други методи кулминираа со секвенционирањето на човечкиот геном во 2003.[22]
Дискретно наследување и Менделови закони
На најфундаментално ниво, наследството кај организмите се среќава во вид на дискретни единици наречени гени.[23] Ова својство било најпрво набљудувано од Грегор Мендел, кој ја проучувал сегрегацијата на наследните единици кај грашокот.[9][24] Во неговите експерименти со изучување на белегот за боја на цветот, Мендел увидел дека цветовите на секое растение грашок биле или црвени, или бели - но никогаш интермедиерни, нијанса меѓу овие две бои. Овие различни и дискретни верзии од ист ген се наречени алели.
Кај грашокот, кој е диплоиден вид, секое единечно растение поседува по две копии од секој ген, по една копија наследена од секој родител. Многу видови, вклучувајќи ги и луѓето, го имаат овој образец на наследување. Диплоидните организми со по две копии од ист алел за даден ген се наречени хомозиготни на тој генски локус, додека организмите со две различни алели за даден ген се наречени хетерозиготни.
Сетот од алели кај даден организам се нарекува генотип, додека белезите на организмот кои можат да се набљудуваат се неговиот фенотип. Кога организмите се хетерозиготни за еден ген, често еден алел се нарекува доминантен, бидејќи неговите квалитативни одлики доминираат во фенотипот на организмот, а другиот алел е наречен рецесивен поради тоа што неговите квалитативни одлики не се забележуваат. Некои алели не покажуваат целосна доминантност, а наместо тоа покажуваат нецелосна доминантност со експресија на интермедиерен фенотип, или кодоминантност со експресија на двете алели одеднаш.[25]
Кога пар на организми се размножуваат полово, нивното потомство случајно наследува еден од двата алела од секој родител. Дискретното наследување и сегрегацијата на алелите заедно се познати како прв закон на Мендел за сегрегација (цепење).
Обележување и дијаграми
Генетичарите користат дијаграми и симболи за да го опишат наследувањето. Ген се претставува со една или неколку букви. Обично за обележување на немутиран (вообичаен или див тип) алел на еден ген се користи симболот „+“.[26]
При експерименти со оплодување и размножување (и особено кога се зборува за Менделовите закони), родителите се означуваат како „P“ поколение, а потомството како „F1“ (прво филијално или синовско) поколение. Кога F1 потомството се пари меѓусебно, нивното потомство се означува како F2 (второ филијално) поколение. Еден од вообичаените дијаграми кои се користат да се предвиди резултатот од вкрстувањето е панетовата мрежа.
При изучување на човековите генетски заболувања, генетичарите често се користат со родословни стебла за да го претстават наследувањето на белезите.[27]
Заемодејство меѓу повеќе гени
Организмите поседуваат илјадници гени, а кај организмите кои се размножуваат полово овие гени обично се подредуваат (групираат) независно еден од друг. Ова значи дека наследувањето на алел за жолт или зелен плод (на пример, грашак) е неповрзано со наследувањето на алели за бели или црвени цветови. Овој феномен, познат како „втор закон на Мендел“ или „закон за независно подредување“, значи дека алелите за различните гени се заменуваат меѓу родителите за да се формира потомство со многу различни комбинации. (Одредени гени не се подредуваат независно, тие покажуваат генско сврзување, предмет на расправа подолу во статијава).
Често различните гени можат да заемодејствуваат на начин кој влијае на ист белег. Кај растението Omphalodes verna, на пример, постои ген со алели кои ја одредуваат бојата на цветовите - сина или магента. Друг ген, меѓутоа, контролира дали цветовите воопшто имаат боја или се бели. Кога едно растение има по две копии на овој бел алел, неговите цветови се бели - независно од тоа дали првиот ген има сини или магента алели. Ова заемодејство меѓу гените е познато како епистаза, односно вториот ген е епистатичен во однос на првиот.[28]
Многу белези не се дискретни (на пример, црвени или бели цветови), а наместо тоа се континуирани (како височината на човекот и бојата на кожата). Овие сложени белези се производи од многу гени.[29] Влијанието на овие гени е посредувано во одредена мерка од животната средина во која живее организмот. Степенот до кој гените на организмот придонесуваат во појавата на сложен белег се нарекува херитабилност.[30] Мерењето на херитабилноста за еден белег е релативно — во поразновидна животна средина, животната средина има поголемо влијание врз вкупната варијација на белегот. На пример, височината на човекот е белег со сложени причини. Има херитабилност од 89% во САД. Во Нигерија, меѓутоа, каде луѓето потешко имаат пристап до адекватна исхрана и здравствена нега, височината има херитабилност од само 62%.[31]
ДНК и хромозоми
Молекуларната основа за гените е деоксирибонуклеинската киселина (ДНК). ДНК се состои од ланец од нуклеотиди, кои ги има четири видови: аденин (А), цитозин (C), гванин (G) и тимин (Т). Генетската информација постои во низата (односно последователниот распоред) на овие нуклеотиди, а гените постојат како поднизи долж ДНК ланецот.[32] Вирусите се единствениот исклучок од ова правило - понекогаш вирусите ја користат многу сличната РНК наместо ДНК како свој генетски материјал.[33]
ДНК обично постои како двојнонишковидна молекула, извиена во форма на двојна завојница. Секој нуклеотид во ДНК се спарува со својот партнерски нуклеотид на спротивната нишка: А се спарува со Т, а C со G. Како резултат на ова, во својата двојнонишковидна форма, секоја нишка ефикасно ја содржи целата потребна информација. Оваа структура на ДНК е физичката основа за наследување: со репликацијата на ДНК се дуплицира генетската информација со одвојување на нишките и со користење на секоја нишка како шаблон за синтеза на нова партнерска нишка.[34]
Гените се наредени линеарно долж долгите ланци кои ги прават ДНК-низите од базни парови. Кај бактериите, секоја клетка обично содржи единечен кружен генофор, додека кај еукариотските организми (меѓу кои растенијата и животните) ДНК е наредена во повеќе линеарни хромозоми. Овие ДНК нишки често се многу долги; најголемиот човечки хромозом, на пример, има должина од околу 247 милиони базни парови.[35] ДНК на хромозомот е поврзана со структурните белковини кои го организираат, компактираат и контролираат влезот за ДНК, образувајќи материјал наречен хроматин; кај еукариотите, хроматинот обично се состои од нуклеозоми, сегменти од ДНК се обвиваат околу средиштето на хистонските белковини.[36] Целосниот сет на наследен материјал во еден организам (под ова обично се мисли на комбинираните ДНК-низи на сите хромозоми) се нарекува геном.
Хаплоидните организми имаат само една копија од секој хромозом, но повеќето животни и многу растенија се диплоидни, тие содржат по два примерока од секој хромозом, и како резултат на ова - по две копии за секој ген.[37] Двете алели за еден ген се сместени на идентични локуси на двата хомологни хромозоми, секој алел наследен од различен родител.
Многу видови поседуваат т.н. полови хромозоми. Тие се посебни во тоа што го одредуваат полот на организмот.[38] Кај луѓето и многу други животни, Y-хромозомот го содржи генот одговорен за развитокот на специфичните машки одлики. Во еволуцијата, овој хромозом изгубил поголем дел од својата содржина и повеќето свои гени, додека X-хромозомот е сличен со останатите хромозоми и содржи многу гени. X и Y хромозомите образуваат многу хетероген пар хромозоми.
Размножување
При делба на клетките, нивниот целосен геном се копира и секоја ќеркина клетка наследува по една копија. Овој процес, познат како митоза, е наједноставната форма на размножување и е основа за бесполово размножување. Бесполовото размножување исто така може да се случи кај многуклеточните организми, давајќи потомство кое го наследува својот геном само од еден родител. Потомството што е генетски идентично со родителите се нарекува клон.
Кај еукариотските организми, половото размножување дава потомство кое содржи различен генетски материјал наследен од двата различни родители. Процесот на полово размножување се одвива меѓу клетки кои содржат единечни копии од геномот (хаплоидни), со што се добива клетка со двојна копија (диплоидни клетки). Хаплоидните клетки се спојуваат, го комбинираат генетскиот материјал, и создаваат диплоидна клетка со парни хромозоми. Диплоидните организми образуваат хаплоидни со делба, без да ја реплицираат нивната ДНК, и создаваат ќеркини клетки кои случајно наследуваат еден од двата пара на хромозоми. Повеќето животни и многуте растенија се диплоидни поголем дел од својот живот, при што хаплоидната форма е редуцирана на единечни клетки - гамети (јајце-клетки и сперматозоиди).
Иако бактериите не го ползуваат хаплоидно/диплоидниот метод на полово размножување, тие поседуваат многу методи за стекнување со нова генетска информација. Одредени бактерии подлежат на конјугација, пренесувајќи мало, кружно парче ДНК на друга бактерија.[39] Бактериите исто така можат да преземат сурови ДНК фрагменти кои ги наоѓаат во животната средина и ги интегрираат во нивните геноми, појава позната како трансформација.[40] Овие процеси резултираат во хоризонтален трансфер на гени, трансмитирајќи фрагменти од генетска информација меѓу организмите кои инаку не се сродни.
Рекомбинација и сврзување
Диплоидната природа на хромозомите им дозволува на гените од различни хромозоми да се подредат независно при половото размножување, рекомбинирајќи се за да образуваат нови комбинации од гени. Гените на ист хромозом теоретски никогаш нема да се рекомбинираат да не е процесот на хромозомски кросинговер. При овој процес, хромозомите разменуваат делови од ДНК, со што се разменуваат генските алели меѓу хромозомите.[41] Кросинговерот се одвива за време на мејоза.
Веројатноста за појава на кросинговер на две точки на хромозомот е во врска со растојанието меѓу тие точки. На произволно долго растојание, веројатноста за кросинговер е доволно висока така што наследувањето на гените е ефикасно некорелирано. Меѓутоа, за гени кои се наоѓаат блиску еден до друг, помалата веројатност за кросинговер значи дека гените покажуваат генетско сврзување - алелите за двата гена тежнеат да се предадат заедно во наследството. Степенот на сврзаност меѓу низите од гени може да се комбинира за да се создаде линеарна карта на сврзување која грубо ја опишува подреденоста на гените долж хромозомот.[42]
Генетски код
Гените обично го експресираат (изразуваат) својот функционален ефект преку производството на белковини, кои се сложени молекули што учествуваат во повеќето процеси во клетката. Белковините се состојат од еден или повеќе полипептидни ланци, од кои секој е изграден од низа на аминокиселини, а ДНК-низата на еден ген (преку посредникот РНК) се користи за создавање на специфична аминокиселинска низа. Овој процес започнува со производство на РНК молекула која има низа што е компатибилна со ДНК-низата на генот - процес познат како транскрипција.
Добиената молекула на РНК по пат на транскрипција, наречена информациска РНК, потоа дава соодветна аминокиселинска низа во процесот транслација. Секоја група од три нуклеотиди во низата (позната како кодон) е соодветна на една од дваесетте можни аминокиселини што влегуваат во состав на белковините или, пак, таа служи како упатство за запирање на создавањето на аминокиселинската низа; оваа соодветност се нарекува генетски код.[43] Протокот на информација е еднонасочен: информацијата се пренесува од нуклеотидните низи во аминокиселинската низа на белковините, но таа никогаш не се пренесува од белковините до низата од ДНК - појава која Френсис Крик ја нарекол централна догма на молекуларната биологија.[44]
Специфичната низа на аминокиселини резултира во единствена тридимензионална градба на дадената белковина, а тридимензионалната градба на белковините е поврзана со нивните функции.[45][46] Некои од нив се едноставни структурни молекули, како влакната составени од белковината колаген. Белковините можат да се сврзат со други белковини и едноставни молекули, понекогаш дејствувајќи како ензими кои ги забрзуваат хемиските реакции што се одвиваат меѓу врзаните молекули (без да се менува самата градба на белковината). Градбата на белковините е динамична; белковината хемоглобин се среќава во разни облици, што и помага да го забрза прифаќањето, преносот и ослободувањето на кислородните молекули во крвта на цицачите.
Една единствена разлика во нуклеотидите на ДНК може да доведе до промена во аминокиселинската низа на една белковина. Бидејќи белковините се добиваат од аминокиселински низи, некои од овие промени можат значително да ги изменат својствата на белковината со нарушување на градбата или промена на површината на белковината така што се менува неговото содејство со останатите белковини и молекули. На пример, српестата анемија е генетско нарушување кај човекот кое се добива од единечна разлика во базите во подрачјето што го кодира β-глобинскиот дел на хемоглобинот, што води до единечна промена во аминокиселините која ги менува физичките својства на хемоглобинот.[47] Српестите молекули хемоглобин се прилепуваат еден за друг и даваат фибрили кои ја менуваат формата на еритроцитите во кои се наоѓа оваа белковина. Овие српести клетки веќе не се движат глатко низ крвните садови, можат да ги запушат или разградат, предизвикувајќи здравствени проблеми поврзани со оваа болест.
Некои гени се транскрибираат во РНК но не се транслираат во белковински производи. Вакви молекули на РНК се познати како некодирачка РНК. Во одредени случаи, овие производи се менуваат во структури кои се вклучени во критичните функции на клетката (на пример, рибозомска РНК и транспортна РНК). РНК може исто така да има и регулаторен ефект преку хибридизација со други молекули на РНК (на пример, микро РНК).
Наследство или влијание на средината?
Иако во гените се содржи целата потребна информација за функционирање на организмот, околната средина игра важна улога во одредувањето на крајниот фенотип. Оваа појава најчесто се означува како „дилема: наследство или средина?“ (англиски: „nature vs. nurture“). Фенотипот на организмот зависи од содејството на генетиката со средината. Еден пример за ова се мутациите осетливи на температура. Често се случува да една промена во аминокиселините на дадена белковина не го промени однесувањето и заемодејствата со други молекули, но да ја дестабилизира градбата. Во средина со висока температура, каде молекулите се движат побрзо и меѓусебно се судруваат, ова води до рушење на градбата на белковината и губење на нејзината функција. Меѓутоа, во средина со ниска температура, градбата на белковината е стабилна и функционира нормално. Овој тип на мутација е забележлив во обојувањето на крзното на сијамските мачки, кај кои мутација на ензимот одговорен за производство на пигмент доведува до дестабилизација и губење на неговата функција при високи температури.[48] Белковината останува функционална во кожата што се наоѓа во подрачја кои се поладни: нозе, уши, опашка и лице. На овој начин, мачката има потемно крзно на нејзините екстремитети.
Околната средина игра значителна улога и во ефектите од наследната болест фенилкетонурија кај луѓето.[49] Мутацијата која предизвикува фенилкетонурија ја оневозможува способноста на телото да ја разгради аминокиселината фенилаланин, што води до токсично натрупување на молекула-меѓупроизвод, која предизвикува сериозни симптоми на прогресивна умствена ретардација и епилепсија. Меѓутоа, ако лице со мутација за фенилкетонурија се придржува до строг начин на исхрана со кој се избегнува оваа аминокиселина, тоа останува нормално и здраво.
Популарен метод за одредување на тоа колкава улога имаат наследството и средината е проучувањето на еднојајчени (идентични) и двојајчени (дизиготски) близнаци или браќа/сестри од повеќеплодна бременост.[50] Поради тоа што идентичните близнаци потекнуваат од истиот зигот, тие се генетски исти. Меѓутоа, дизиготските близнаци се исто толку генетски различни како и нормални браќа/сестри. Со споредба на дизиготски и идентични близнаци, т.е. колку често даден близнак од еден близнаков пар го поседува истото нарушување, научниците можат да дознаат дали е поголем ефектот на наследството или на средината. Еден познат пример на проучување на повеќеплодна бременост е едно американско семејство со идентични квадриплети (четири деца, добиени од четири посебни зиготи, носени едновремено). На сите нив им била дијагностицирана шизофренија.[51]
Генска регулација
Геномот на даден организам содржи илјадници гени, но не е потребно сите тие гени да бидат активни во било кој момент. Еден ген се експресира кога се транскрибира во иРНК (и кога ќе се транслира во белковина), а постојат многу методи со кои клетката врши контрола на експресијата на гените, со помош на кои белковините се произведуваат само кога ѝ се потребни на клетката. Факторите на транскрипција се регулаторни белковини кои се врзуваат за почетоците (старт-местата) на гените, со што ја поттикнуваат или инхибираат транскрипцијата на генот.[52] На пример, во геномот на бактеријата E. coli постои низа од гени потребни за синтеза на аминокиселината триптофан. Меѓутоа, кога триптофанот го има во доволни количества во клетката, овие гени за синтеза на триптофан не се веќе потребни. Присуството на триптофан непосредно влијае врз активноста на гените: триптофанските молекули се врзуваат за триптофанскиот репресор (фактор на транскрипцијата), со што ја менуваат градбата на репресорот така што репресорот се врзува за гените. Триптофанскиот репресор ја блокира транскрипцијата и експресијата на гените, со што создава регулација со негативна повратна врска на процесот на синтеза на триптофан.[53]
Разликите во експресијата на гените се особено јасни кај многуклеточните организми, каде сите клетки го содржат истиот геном, но имаат многу различни структури и начини на однесување (функционирање), што е резултат од експресијата на различни групи на гени. Сите клетки во многуклеточниот организам се добиени од една клетка, која се диференцира на различни типови клетки како одговор на надворешни и внатрешни сигнали, и постепено воспоставувајќи различни патишта на генска експресија за да се создадат различни типови однесување. Бидејќи ниеден поединечен ген не е одговорен за развојот на структурите на многуклеточните организми, овие патишта произлегуваат од сложените заемодејства на многу клетки.
Кај еукариотите постојат структурни одлики на хроматинот кои влијаат на транскрипцијата на гените; некои од вака настанатите промени се наследуваат од страна на ќеркините клетки.[54] Овие одлики се наречени „епигенетски“ бидејќи не ја менуваат нуклеотидната низа на ДНК, тие се механизам „над“ ДНК („επί-“ — над) и се задржуваат во текот на наследувањето од едно клеточно поколение до друго. Поради епигенетските фактори, различни клеточни типови израснати на ист медиум можат да имаат многу различни својства. Иако епигенетските одлики обично се динамични во текот на развитокот, некои (појава на парамутација) се наследуваат низ повеќе поколенија и постојат како ретки исклучоци од општото правило за ДНК како основа на наследувањето.[55]
Мутации
За време на репликацијата на ДНК, повремено се случуваат грешки во полимеризацијата на втората низа. Овие грешки, наречени мутации, можат да имаат влијание врз фенотипот на организмот, особено ако се случат во белковинската кодирачка низа за еден ген. Стапките на грешка се обично многу мали — 1 грешка на секои 10 - 100 милиони бази — како резултат на „верификационата“ способност на ДНК-полимеразите.[56][57] Без верификација, стапките на грешка се илјада пати повисоки; исто така, бидејќи многу вируси имаат ДНК и РНК-полимерази кои немаат верификациона способност, тие подлежат на повисоки стапки на мутација. Процесите кои ја зголемуваат стапката на промени во ДНК се наречени мутагени: мутагените хемикалии поттикнуваат грешки при репликацијата на ДНК, често по пат на интерферирање во спарувањето на базите, додека ултравиолетовото зрачење индуцира мутации преку оштетување на градбата на ДНК.[58] Хемиското оштетување на ДНК не мора да биде предизвикано од мутагени создадени од човекот и UV зрачење; тоа се случува и без нивно присуство. Клетките користат ДНК-поправни механизми за отстранување на неправилностите во ДНК, но, овие механизми понекогаш не успеваат да ја вратат ДНК до нејзината првобитна низа.
Кај организмите кај кои има хромозомски кросинговер за размена на ДНК и рекомбинација на гените, грешките во подредувањето за време на мејоза можат исто така да предизвикаат мутации.[59] Грешките во кросинговерот се особено очекувани кога слични низи доведуваат до тоа да партнерските хромозоми преземат погрешен сегмент; ова ги прави некои подрачја посклони на вакви мутации. Овие грешки создаваат големи структурни промени во ДНК-низата — дупликации, инверзии и бришења на цели подрачја — или случајна размена на цели делови меѓу различни хромозоми (процес познат како транслокација).
Природна селекција и еволуција
Мутациите го изменуваат генотипот на организмите и ова води кон привремена појава на различни фенотипови. Повеќето мутации имаат мал ефект на фенотипот на организмот, неговото здравје или адаптивната вредност. Мутациите кои имаат ефект се најчесто штетни, но повремено се јавуваат и корисни мутации. Проучувањата на винската мушичка (Drosophila melanogaster) укажуваат дека доколку мутацијата ја промени белковината произведен од еден ген, околу 70% од овие мутации ќе бидат штетни, а остатокот неутрални или малку корисни.[60]
Популационата генетика ја проучува разместеноста на генетските разлики во рамките на популациите и како оваа разместеност се менува во времето.[61] Промените во честотата на алел од популацијата главно се резултат од природната селекција, при што даден алел му дава селективна или репродуктивна предност на организмот,[62] како и од други фактори од типот на мутација, генетско поместување, генетски драфт,[63] вештачка селекција и миграција.[64]
По многу поколенија, геномите на организмите можат значително да се променат, што е всушност феноменот на еволуција. Селекцијата на корисните мутации може да му дозволи на видот да еволуира во форми кои подобро можат да опстанат во нивната животна средина, процес познат како адаптација.[65] Нови видови се формираат со процесот на видообразба, кој многу често е предизвикан од географски бариери кои им оневозможуваат на популациите да разменат гени.[66] Примената на принципите на генетиката во популационата биологија и еволуцијата се нарекува модерна синтеза.
Со споредување на хомологијата меѓу геномите од различни видови, можно е да се пресмета еволутивното растојание меѓу нив и времето на нивната дивергенција (метод на молекуларен часовник). Генетските споредби се сметаат за поточен метод за одредеување на стапката на сродност меѓу видовите, за разлика од фенотипските одлики. Еволутивните растојанија меѓу видовите може да се искористат за формирање на еволутивни дрва; овие дрва го претставуваат заедничкото потекло и дивергенцијата на видовите во времето, но тие не го прикажуваат преносот на генетски материјал меѓу неповрзани видови (процес познат како хоризонтален пренос на гени, кој е многу чест кај бактериите).[67]
Моделни организми
.jpg)
И покрај тоа што генетичарите првобитно ја истражувале наследноста кај многу видови на организми, истражувачите почнале да се специјализираат за проучување на генетиката на одредена група организми. Фактот што постојат опсежни истражувања за даден организам ги охрабрува новите истражувачи да го изберат тој организам за понатамошни истражувања. На овој начин се појавиле неколку моделен организми кои станале основа за најголем дел од истражувањата во генетиката.[68] Чести полиња на истражување во генетиката на моделните организми се генската регулација и улогата на гените во развитокот и појавата на ракот.
Краткото време за добивање на нови поколенија и лесното генетско манипулирање ги направи некои организми популарни алатки во генетските истражувања. Широко користени моделни организми се цревната бактерија ешерихија коли (Escherichia coli), растението тенкоѕиден урочник (Arabidopsis thaliana), лебен квасец (Saccharomyces cerevisiae), цевчестиот црв Caenorhabditis elegans, винска мушичка Drosophila melanogaster, како и обичниот куќен глушец (Mus musculus).
Медицина
Медицинската генетика се обидува да разбере на кој начин генетската варијација е поврзана со здравјето на човекот и болестите.[69] Кога се бара непознат ген кој би можел да причинува болест, истражувачите најчесто користат дијаграми на генетско сврзување и генеалошки дијаграми, со помош на кои се бара подрачјето во геномот асоциран со болеста. Кога ќе биде пронајден генот-кандидат, понатамошните истражувања често продолжуваат на кореспондирачкиот ген (наречен ортологен ген) кај модел организмите. Паралелно со истражувањата на генетските заболувања, зголемената достапност на методите за генотипирање доведе до појава на фармакогенетиката, која проучува како генотипот може да влијае на одговорот на организмот што е предизвикан од одреден лек.[70]
Единките се разликуваат по нивната наследена тенденција да развиваат рак,[71] а ракот е генетско заболување.[72] Процесот на развиток на рак во телото е комбинација од настани. Во текот на делбата на клетките повремено се случуваат мутации. Иако овие мутации нема да бидат предадени на потомството, тие може да влијаат врз однесувањето на клетките, понекогаш предизвикувајќи ги да растат поинтензивно и да се делат многу почесто. Постојат биолошки механизми кои се наменети да го запрат овој процес; се даваат сигнали на клетките кои несоодветно се делат кои ќе поттикнат клеточна смрт, но некогаш се јавуваат дополнителни мутации кои ги поттикнуваат клетките да ги игнорираат овие пораки. Во телото се одвива внатрешен процес на природна селекција и на крајот се акумулираат мутации во клетките кои го промовираат нивниот сопствен раст, создавајќи притоа канцерозен тумор кој расте и врши инвазија на различни ткива во телото.
Во нормални услови клетката се дели само како одговор на сигнали — „фактори на растот“, таа престанува да расте кога остварува контакт со околните клетки (контактна инхибиција) и како одговор на сигналите за инхибирање на растот, се дели ограничен број пати и умира (апоптоза), останува во епителот и не е во можност да мигрира во други органи. За да стане канцерозна клетка, клетката треба да акумулира мутации во одреден број гени (3-7) кои и овозможуваат да ги заобиколи сите овие регулаторни механизми: тогаш на неа не ѝ се потребни фактори на растот, продолжува со раст кога остварува контакт со соседните клетки и ги игнорира инхибиторните сигнали, таа ќе продолжи бесконечно да расте и е бессмртна, ќе излезе од епителот и на крај може да биде способна да избега од првичниот тумор, да го премине ендотелот на крвните садови, да се транспортира со крвотокот и да колонизира нов орган, образувајќи смртоносни метастази. Иако постојат некои генетски предиспозиции кај мал дел канцери, главниот дел е како резултат од низа на нови генетски мутации кои најпрво се јавуваат и акумулираат во еден или мал број клетки кои ќе се поделат и ќе образуваат тумор и кои не се предаваат на потомството (соматски мутации). Најчести мутации се губитокот на функцијата на белковината p53, кој е туморски супресор, како и функционалните мутации во ras-белковините, или во други онкогени.
Методи на истражување
ДНК може да биде манипулирана во лабораторија. Рестриктивните ензими (ензим „генски ножици“) се често користени ензими кои можат да ја сечат ДНК на специфични низи, давајќи предвидливи фрагменти од ДНК.[73] ДНК фрагментите можат да се визуелизираат со употребата на гелна електрофореза со која се одвојуваат фрагментите според нивната должина.
Со употреба на лигациски ензими (ензим „генско лепило“) се овозможува поврзување на ДНК фрагментите, а со лигација на фрагменти од ДНК од различно потекло истражувачите може да добијат рекомбинантна ДНК. Често поврзувана со генетски изменети организми, рекомбинантната ДНК обично се користи во контекст на плазмиди — кратки и кружни ДНК фрагменти со само неколку гени. Со вметнување на плазмиди во бактериите и растење на овие бактерии на агарни плочи (за да се изолираат клонови од бактериски клетки), истражувачите можат клонално да го амплифицираат вметнатиот фрагмент на ДНК (процес познат како молекуларно клонирање).[b]
ДНК може да биде амплифицирана и со процедурата наречена полимеразна верижна реакција (ПВР).[74] Со специфични кратки низи на ДНК, со ПВР може да се изолира и експоненцијално да амплифицира целно подрачје од ДНК. Поради тоа што може да амплифицира од многу мали количини на ДНК, ПВР е исто така често користена за откривање на присуството на специфични ДНК-низи.
Секвенционирање на ДНК и геномика
Една од најфундаменталните технологии развиени со цел проучување на генетиката на организмите е секвенционирањето на ДНК. Овој процес овозможува да се одреди низата од нуклеотиди во ДНК фрагментите. Развиена во 1977 од Фредерик Сангер и неговите соработници, секвенционирањето со терминација на веригата сега рутински се употребува.[75] Со помош на оваа технологија истражувачите биле во можност да ги проучат молекуларните низи поврзани со многу заболувања на човекот.
Со поевтинувањето на секвенционирање, секвенционирани се геномите на многу организми со користење на компјутерски алатки за да се закрпат низите од многу различни фрагменти (процес познат како геномско асемблирање).[76] Овие технологии се искористени за секвенционирање на човечкиот геном, што довело до довршување на проектот за човечкиот геном во 2003.[22] Новите технологии значително ја намалуваат цената на ДНК секвенционирањето, што им дава надеж на истражувачите да ја доведат цената на повторно секвенционирање на човечкиот геном до илјада долари.[77]
Големото количество на достапни податоци од секвенционирањето довело до создавање на геномиката, поле на истражување кое користи компјутерски алатки за откривање и анализирање на закономерности во целосниот геном на организмите. Геномиката може да се смета и како гранка на биоинформатиката, која употребува компјутерски приод во анализирањето на голема количина на биолошки податоци.
- Големина на бактерискиот геном
- Наследна болест
- Историја на генетиката
- Список на статии од генетика
- а Сепак, доказите од епигенетиката ги направиле повторно актуелни некои аспекти од теоријата на Ламарк.[78]
- b Клонирањето може да се однесува и на создавање клон-организми од различни причини.
Wikiwand in your browser!
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.
