Генетика

Генетиката (од старогрчки γενετικός генетикос, „да роди“ и од γένεσις генезис, „потекло“) е гранка на биологијата која се занимава со проучување на гените, наследноста и варијацијата кај живите организми.

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), образците на наследување од родителите до потомството, како и генската дистрибуција, 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 19 век. 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 региони во рамките на ДНК, молекула составена од ланец од четири различни видови на нуклеотиди — последователноста (секвенцата) 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.

Секвенцата од нуклеотиди во еден ген се транслира (преведува) од страна на клетките при што се добива ланец од амино киселини кои создаваат протеини — редоследот на аминокиселините во еден протеин соодветствува на редоследот на нуклеотиди во генот. Врската меѓу нуклеотидната секвенца и аминокиселинската секвенца е позната како генетски код. Аминокиселините во протеинот одредуваат на кој начин тој ќе се извие во тридимензионален облик; а од своја страна, оваа структура е одговорна за функцијата на протеинот. Протеините ги имаат речиси сите функции потребни на клетката за нејзиниот опстанок. Промена на ДНК во генот може да ги измени аминокиселините на протеинот, со што се менува неговиот 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.

Историја

ДНК, молекуларната основа на наследувањето. Секоја нишка од ДНК е ланец на нуклеотиди кои се поврзуваат, со што даваат изглед на прстени на извиена скала на ДНК молекулата.

Иако почетокот на генетиката е обележан со применетата и теоретска работа на Грегор Мендел од средината на 19 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 карактеристики: верување дека единките наследуваат белези кои се засилуваат од нивните родители. За оваа теорија (најчесто сврзувана со Жан Батист Ламарк) денес е познато дека е неточна — искуствата на единките не влијаат на гените кои ги предаваат на нивните деца. Други теории биле теоријата на пангенеза на Чарлс Дарвин (која имала како стекнати, така и наследни аспекти) и преформулацијата на пангенезата на Френсис Галтон.

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 образците на наследување на некои белези кај грашок и нив ги опишал математички. Иако образецот на наследување може да се следи само за неколку белези, работата на Мендел навестувала дека наследството е партикуларно, не стекнато, и дека образците 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.

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 бело око мутација кај винската мушичка. Во 1913, неговиот студент Алфред Штуртевант го искористил феноменот на генетско сврзување да покаже дека гените се распоредени линеарно на хромозомот.

Набљудувањата на Морган за полово-сврзаното наследување на мутација која дава бели очи кај Drosophila го навела на хипотезата дека гените се наоѓаат на хромозомите.

Молекуларна генетика

Иако се знаело дека гените се наоѓаат на хромозомите, сепак, хромозомите се составени од протеини и ДНК - на научниците не им било познато која 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. Експериметот Херши-Чејс во 1952 исто така покажал дека ДНК (наместо протеин) е генетскиот материјал кај вирусите кои ги инфицираат бактериите, обезбедувајќи уште докази за тоа дека ДНК е молекулата одговорна за наследувањето.

Џејмс Вотсон и Френсис Крик ја откриле градбата на ДНК во 1953, користејќи ја работата на Розалинд Френклин и Морис Вилкинс со Х-зрачна кристалографија која укажала на тоа дека ДНК има хеликална структура. Нивниот модел на двоен хеликс 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 прстени на извиена скала. Оваа структура покажала дека генетската информација постои во секвенцата 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 за секоја врз основа на секвенцата од старата нишка.

Иако структурата на ДНК покажала на кој начин функционира наследноста, сè уште не било познато како ДНК влијае врз однесувањето на клетките. Во годините кои следувале, научниците се обидувале да сфатат како ДНК го контролира процесот на производство на протеини. Се открило дека клетката ја користи ДНК како шаблон за синтеза на соодветна информациона РНК (молекула со нуклеотиди, многу слична на ДНК). Нуклеотидната секвенца на информационата РНК се користи за да се создаде аминокиселинска секвенца во протеинот; оваа транслација меѓу нуклеотидните и аминокиселински секвенци е позната како генетски код.

Ова молекуларно разбирање на наследноста отворило пат на многу истражувања. Едно важно откритие било ДНК секвенционирањето со терминација на ланецот, развиено во 1977 од страна на Фредерик Сангер. Оваа технологија им овозможува на научниците да ја читаат нуклеотидната секвенца на ДНК молекулата. Во 1983, Кери Бенкс Мулис ја развил полимеразната верижна реакција, овозможувајќи брз начин да се изолира и засили одреден дел од ДНК од смеса. Со напорите вложени во Human Genome Project, како и приватната работа на Celera Genomics, овие и други методи кулминираа со секвенционирањето на човечкиот геном во 2003.

Одлики на наследувањето

Дискретно наследување и Менделови закони

Панетова мрежа која отсликува вкрстување меѓу две растенија од грашок хетерозиготни за црвени (В) и бели (b) цветови.

На најфундаментално ниво, наследството кај организмите се среќава во вид на дискретни единици наречени гени. Ова својство било најпрво набљудувано од Грегор Мендел, кој ја проучувал сегрегацијата на наследните единици кај грашокот. 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 покажуваат нецелосна доминантност со експресија на интермедиерен фенотип, или кодоминантност со експресија на двете алели одеднаш.

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

Генетските табели на педигре помагаат во следењето на образците на наследување на белезите.

Генетичарите користат дијаграми и симболи за да го опишат наследувањето. Ген се претставува со една или неколку букви. Обично за обележување на немутиран алел на еден ген се користи симболот „+“.

При експерименти со оплодување и размножување (и особено кога се зборува за Менделовите закони), родителите се означуваат како „P“ генерација, а потомството како „F₁“ (прва филијална или синовска) генерација. Кога F₁ потомството се пари меѓусебно, нивното потомство се означува како F₂ (втора филијална) генерација. 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 табели на педигре за да го претстават наследувањето на белезите.

Интеракција на 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 - 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 меѓудејствуваат на начин кој влијае на ист белег. Кај растението Omphalodes verna, на пример, постои ген со алели кои ја одредуваат бојата на цветовите - бела 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. Оваа интеракција меѓу гените е позната како епистаза, односно вториот ген е епистатичен во однос на првиот.

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. Влијанието на овие гени е посредувано во одредена мерка од животната средина во која живее организмот. Степенот до кој гените на организмот допринесуваат во појавата на сложен белег се нарекува херитабилност. 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%.

Молекуларна основа на наследувањето

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 секвенцата на овие нуклеотиди, а гените постојат како низи од секвенци долж ДНК ланецот. Вирусите се единствениот исклучок од ова правило - понекогаш вирусите ја користат многу сличната РНК наместо ДНК како свој генетски материјал.

ДНК обично постои како двојнонишковидна молекула, извиена во форма на двоен хеликс. 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.

Гените се наредени линеарно долж долгите ланци на ДНК секвенците 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, се околу 247 милиони базни парови долги. ДНК на хромозомот е поврзана со структурните протеини 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 протеини. Целосниот сет на наследен материјал во еден организам (под ова обично се мисли на комбинираните ДНК секвенци 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. 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. Кај луѓето и многу други животни, Y-хромозомот го содржи генот одговорен за развитокот на специфичните машки карактеристики. 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.

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 форми кои содржат единечни копии од геномот (хаплоидни) и двојни копии (диплоидни). 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. Бактериите исто така можат да превземат сурови ДНК фрагменти кои ги наоѓаат во животната средина и ги интегрираат во нивните геноми, феномен познат како трансформација. 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. 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.

Генска експресија

Генетски код

Гените обично го експресираат (изразуваат) својот функционален ефект преку производството на протеини, кои се сложени молекули одговорни за повеќето функции во клетката. Протеините се состојат од еден или повеќе полипептидни ланци, од кои секој е изграден од секвенца на аминокиселини, а ДНК секвенцата на еден ген (преку посредникот РНК) се користи за создавање на специфична аминокиселинска секвенца. Овој процес започнува со производство на РНК молекула која има секвенца што е компатибилна со ДНК секвенцата на генот - процес познат како транскрипција.

Надворешни врски

Поврзани изданија

• Напредната генетика
• Американски журнал за хумана генетика
• Годишни резимеа за генетика
• Европски журнал за хумана генетика
• Гените и развојот
• Хумана молекуларна генетика
• Журнал за наследство
• Најнови генетички вести
• Cytology and Genetics - журнал "Цитологија и Генетика"