GenetykagenetykaGenetyka to jedna z najnowszych nauk w obrębie nauk biologicznych. Jest to równocześnie jedna z najprężniej rozwijających się dziedzin wiedzy, zajmująca się dziedzicznością i zmiennością organizmów. Termin „genetyka” wprowadził na początku XIX w. William Beatson. Ze względu na szeroki zakres badań prowadzonych w ramach tej nauki wyróżnia się kilka jej działów:

• genetyka klasyczna – określana również jako mendlowska – zajmuje się badaniem mechanizmów dziedziczenia na podstawie widocznych cech organizmów (fenotypówfenotypfenotypów).

• genetyka molekularna – dział genetyki opierający się na molekularnym mechanizmie dziedziczenia, budowie materiału genetycznego, jego sekwencji, zmienności i organizacji. Bada budowę oraz organizację genówgengenów na poziomie struktury.

• genetyka populacyjna – określa zmiany i zróżnicowanie genetyczne w obrębie danej populacji.

• genetyka nowotworów – dział genetyki skupiający się na zaburzeniach regulacji cyklu komórkowego, prowadzących do zmian o charakterze nowotworowym.

Rg3mgYxAUJ4VS1

Ilustracja przedstawia czarno‑biały portret Grzegorza Mendla. Jest to mężczyzna w średnim wieku. Ubrany jest w ciemną sutannę, która jest zapinana na guziki, pod szyją ma białą koloratkę, a na szyi łańcuszek z krzyżem. Mężczyzna ma dość okrągłą twarz, duży, okrągły nos i wąskie wargi. Jego oczy są głęboko osadzone, nosi on okulary w okrągłych oprawkach. Jego włosy są dość krótkie, ciemne. Po bokach głowy widoczne są zakola.

Genetyka klasyczna opiera się w głównej mierze na badaniach Grzegorza Mendla. To właśnie jego odkrycia i koncepcje dały początek rozważaniom o prawach rządzących dziedziczeniem i przyczyniły się do dalszego rozwoju nauki. Kolejni naukowcy rozwijali myśl Mendla, wraz z nowymi odkryciami wprowadzając kolejne pojęcia i terminy. Nie bez powodu Grzegorza Mendla określa się więc jako twórcę genetyki.

Grzegorz Mendel od 1856 r. przez dziesięć lat przeprowadzał doświadczenia na mieszańcach roślin, przede wszystkim grochu zwyczajnego (Pisum sativum). Prowadząc badania, przestrzegał kilku zasad: używał wyselekcjonowanych czystych liniilinia czystaczystych linii, ograniczał obserwację do nielicznych i wyraźnych cech, ustalał liczebność każdego fenotypu w kolejnych pokoleniach mieszańców oraz w potomstwie każdej rośliny.

Na podstawie swoich obserwacji Mendel opracował zasady dziedziczenia. Ich treść zmieniała się wraz z upływem czasu, w oparciu o nowe odkrycia. Współczesne ich wersje noszą nazwę praw Mendla:

• pierwsze prawo Mendla – prawo czystości gamet. Zgodnie z nim każda gameta, która wywarzana jest przez organizm, ma tylko jeden allelallelallel (wersję) z danej pary alleli genu.

• drugie prawo Mendla – prawo niezależnej segregacji cech. Zgodnie z tym prawem cecha uwarunkowana przez daną parę alleli (gen) dziedziczona jest niezależnie od cechy warunkowanej przez inną parę alleli.

Podstawą genetyki mendlowskiej jest mejozamejozamejoza, która zapewnia zmniejszenie o połowę ploidalności komórek – gamet, kompensując w ten sposób podwojenie informacji genetycznej występującej w momencie zapłodnienia. Mejoza stanowi wyjaśnienie prawa czystości gamet.

RfrtKehKfiCK2

Schemat przedstawia krzyżowanie się alleli. U góry schematu przedstawione są dwa okręgi symbolizujące ludzkie organizmy o określonej puli genów. Jest to pokolenie rodzicielskie. Pierwszy z nich posiada o allele: duże A i duże A na czerwonym tle, drugi małe a, małe a na niebieskim tle. W kolejnym rzędzie okręgów pojawiają się gamety - w przypadku pierwszego organizmu w osobnych, czerwonych okręgach znajdują się dwie duże litery A, a w przypadku drugiego organizmu w osobnych, niebieskich okręgach znajdują się dwie małe litery a. Strzałkami są oznaczone gamety, które wędrują do określonego organizmu potomnego. W konsekwencji powstały cztery organizmy potomne o allelach duże A i małe a na czerwonym tle. Jest to pierwsze pokolenie potomne. Na drugim schemacie ukazano dalsze rozmnażanie się osobników z pierwszego pokolenia potomnego. Oba z nich posiadają allele: duże A i duże A na czerwonym tle. W kolejnym rzędzie okręgów pojawiają się gamety -zarówno w przypadku w przypadku pierwszego jak i drugiego organizmu w czerwonym okręgu znajduje się duża litery A i w niebieskim okręgu mała litera a. Strzałkami są oznaczone gamety, które wędrują do określonego organizmu potomnego. W konsekwencji powstały cztery organizmy potomne: pierwszy to dwa duże A na czerwonym tle, drugi i trzeci to duże A, małe a na czerwonym te i czwarty to dwa małe a na niebieskim tle.

RAssoeLailmt3

Krzyżówka ilustruje sytuację, kiedy allel jednego genu trafia do gamety niezależnie (w dowolnej kombinacji) z allelami innego typu. Pokolenie rodzicielskie to dwa pokolenia osobników, których geny symbolizują koło i kwadrat z literami w środku. Geny pierwszego osobnika symbolizuje żółte kółko z literami duże A, duże A, duże B, duże B, drugiego osobnika zielony kwadrat z literami małe a, małe a, małe b, małe b. Posiadają one gamety z kombinacją, odpowiednio: duże A, duże B i duże A, duże B w żółtych kółkach oraz małe a, małe b oraz małe a, małe b w zielonych kwadratach. Strzałkami są oznaczone krzyżówki z udziałem tych gamet. W wyniku nich powstały cztery organizmy o następującej kombinacji genów: duże A, małe a, duże B, małe b w pierwszym pokoleniu potomnym wpisane w koło. Na drugim schemacie ukazano dalsze rozmnażanie się osobników z pierwszego pokolenia potomnego. Przedstawione są tu dwa organizmy za pomocą żółtego koła o kombinacji genów duże A, małe a, duże B, małe b, które produkują odpowiednio następujące gamety: pierwszy z nich - duże A, duże B w żółtym kole, duże A małe b w żółtym kole, małe a, duże B w żółtym kole, małe a, małe b w żółtym kole, drugi - duże A, duże B w żółtym kole, duże A małe b w żółtym kole, małe a, duże B w żółtym kole, małe a, małe b w żółtym kole. Na dole przedstawione jest drugie pokolenie potomne za pomocą figur geometrycznych w kolorze żółtym i zielonym. Organizmy te posiadają następującą kombinację genów: duże A, duże A, duże B, duże B w żółtym kole, duże A, duże A, duże B, małe b w żółtym kole, duże A, małe a, duże B, duże B w żółtym kole, duże A, małe a, duże B, małe b w żółtym kole, duże A,

Więcej informacji na temat mejozy w materiale: Przebieg i znaczenie mejozyP16gxCS26Przebieg i znaczenie mejozy.

ROlpZx8n0SCxR1

Na zdjęciu przedstawiona jest okładka pierwszego polskiego wydania dzieła Grzegorza Mendla pod tytułem: Badania nad mieszańcami roślin. Okładka wydrukowana jest na żółtym papierze. W górnej części drobnym drukiem umieszczono napis: Wydanie z zapomogi kasy pomocy dla osób pracujących na polu naukowem imienia dr‑a Józefa Mianowskiego. Poniżej znajduje się imię i nazwisko autora, pod nim grubsza czcionką umieszczono tytuł książki. Pod spodem znajduje się niewielki napis: z wydania B. v. Tshermaka przełożyła W. Wolska. Na dole strony widnieje miejsce wydania, wydawnictwo i rok wydania: Warszawa, Skład Główny w księgarni Gebethnera i Wolffa, 1918.

W pracach Mendla nie występowało pojęcie „gen” ani „allel”. Posługiwał się on terminem „czynniki dziedziczności” (lub „jednostki dziedziczności”). Uważał, że czynniki dziedziczności mogą wchodzić w skład trzech różnych par: AA, Aa lub aa, gdzie A to czynnik dominujący, podczas gdy a to czynnik recesywny. Linie czyste, na których pracował Mendel, to osobniki mające wyłącznie dwa czynniki recesywne (aa) – kwiaty o barwie białej, bądź dwa czynniki dominujące (AA), charakteryzujące kwiaty czerwone. Takie osobniki określane są jako homozygoty. W pierwszym pokoleniu potomnym (F1), uzyskanym po skrzyżowaniu osobników zawierających dwa czynniki dominujące AA (czerwona barwa kwiatów) z osobnikami o dwóch czynnikach recesywnych aa (biała barwa kwiatów), występowały wyłącznie osobniki zawierające zarówno czynnik dominujący jak i recesywny Aa, które nie różniły się wyglądem od osobników rodzicielskich posiadających dwa czynniki dominujące – miały kwiaty czerwone. Na podstawie swoich doświadczeń Mendel wywnioskował, że czynnik warunkujący czerwoną barwę kwiatów jest czynnikiem dominującym. Obecnie jest on określany jako allel dominującyallel dominującyallel dominujący, a czynnik warunkujący biały kolor kwiatów to allel recesywnyallel recesywnyallel recesywny, który nie ujawni się w obecności allelu dominującego. Po skrzyżowaniu osobników z pokolenia F1 otrzymane rośliny w ok. 75% miały kwiaty barwy czerwonej, pozostałe zaś (ok. 25%) – kwiaty białe.

Sformułowane przez Mendla w 1865 r. podstawowe zasady genetyki nie od razu wzbudziły zainteresowanie w świecie nauki. Dopiero w 1900 r. ponownie odkryli je i potwierdzili (niezależnie od siebie, badając inne gatunki roślin) C. Correns (który prowadził badania na dziwaczku peruwiańskim (Mirabilis jalapa)), E. Tschermak (który prowadził badania na groszku pachnącym (Lathyrus odoratus)) i H. de Vries (który prowadził badania na wiesiołku dwuletnim (Oenothera biennis)).

Więcej na temat tych badań znajdziesz w e‑materiale: Rewolucja mendlowskaD9gsWvxroRewolucja mendlowska.

W 1905 r. Reginald C. Punnett zaproponował graficzną formę przedstawienia mechanizmu dziedziczenia. Od jego nazwiska nosi ona nazwę szachownicy Punnetta.

Więcej na temat szachownicy Punnetta w e‑meteriale: Szachownica PunnettaD1FZa5JZPSzachownica Punnetta.

Pojęcie „gen” pojawiło się dopiero w 1908 r. Opracował je Wilhelm Johannsen, skróciwszy nazwę „pangen”, zaproponowaną wcześniej przez Hugo de Vriesa. Całkowity zbiór genów osobnika to „genotyp”. Termin ten również został zaproponowany przez Johannsena. Przedstawił on także propozycję rozróżnienia między genotypem a fenotypem, który stanowi widoczne i mierzalne odzwierciedlenie genotypu. Pojęcie „allel”, oznaczające jedną z wersji genu, wprowadzili William Bateson oraz Edith Rebecca Saunders.

Geny zlokalizowane są na chromosomachchromosomchromosomach, które stanowią formę organizacji materiału genetycznego. Termin „chromosom” został po raz pierwszy użyty przez Heinricha Wilhelma Waldeyera w 1888 r., natomiast pierwsze obserwacje chromosomów datowane są na 1848 r. Chromosomy dzieli się na:

• chromosomy płci (allosomy) – warunkujące płeć; ich rolę odkryła Nettie Stevens w 1905 r.;

• autosomy – wszystkie chromosomy organizmu z wyjątkiem allosomów.

Zestaw wszystkich chromosomów w komórce to kariotyp. Allele danego genu zlokalizowane są w określonym miejscu (locuslocuslocus) na chromosomie. Chromosomy, zawierające podobną informację genetyczną, a co za tym idzie, takie same lub różne allele genów, to chromosomy homologicznechromosomy homologicznechromosomy homologiczne. W komórkach diploidalnych występują one parami. Chromosomy te rozdzielane są w procesie podziału komórki tak, że tylko jeden chromosom z pary trafia do komórki potomnej.

R17IE7ii5S5Sw1

Zdjęcie portretowe przedstawia Thomasa Hunta Morgana. Fotografia jest czarno‑biała, widnieje na niej mężczyzna w średnim wieku. Ubrany jest w koszulę z wysokim kołnierzem, który otacza biały krawat i w ciemną marynarkę. Mężczyzna posiada zarost – wąsy i krótką brodę, duży nos oraz głęboko osadzone oczy. Jego włosy są dość krótkie, ciemne z grzywką z przodu głowy, zaczesaną na boki.

Chromosomową teorię dziedziczenia po raz pierwszy zaproponował w 1884 r. A. Weismann, sformułowali ją dokładnie na początku XX w. W. S. Sutton oraz T. Boveri, a doświadczalnie ugruntowali ją T. Morgan i jego współpracownicy. Wykazali oni, że chromosomy są zbiorami ułożonych liniowo genów, przy czym dany gen zajmuje zawsze jednakowe, ściśle określone miejsce (locus) na chromosomie. Ponadto geny jednego chromosomu są dziedziczone łącznie (są ze sobą sprzężone), natomiast geny znajdujące się w różnych chromosomach dziedziczą się niezależnie od siebie. Podczas koniugacji chromosomów homologicznych (wczesna profaza podziału I mejozy) może zachodzić zjawisko wzajemnej wymiany odpowiadających sobie odcinków chromatyd niesiostrzanych (crossing‑overcrossing‑overcrossing‑over). Częstość zachodzenia crossing‑over jest wprost proporcjonalna do odległości między genami, tzn. im bliżej są one położone, tym  silniej są sprzężonesprzężenie genówsprzężone, a prawdopodobieństwo rozdzielenia ich pomiędzy dwa różne chromosomy homologiczne jest mniejsze. Jednostką częstości zachodzenia crossing‑over jest centymorgancentymorgan (cM)centymorgan (cM).

Chromosomowa teoria dziedziczenia przyczyniła się do poznania budowy chromosomów i biochemicznego zidentyfikowania nośnika informacji genetycznejinformacja genetycznainformacji genetycznej.

Więcej na ten temat w e‑materiale: Chromosomowa teoria dziedziczności MorganaD1Gt385VkChromosomowa teoria dziedziczności Morgana.

Wraz z rozwojem genetyki oraz badaniem innych przykładów dziedziczenia okazało się, że istnieje szereg odstępstw od zaproponowanych przez Mendla zasad dziedziczenia. Zalicza się do nich:

• Dominację niepełną – żaden z alleli genu kodującego określoną cechę nie dominuje w pełni nad drugim; heterozygota wykazuje fenotyp pośredni między fenotypem homozygoty dominującej i recesywnej. Więcej na ten temat w e‑materiale: Dominacja zupełna i częściowaPcoGRtYnaDominacja zupełna i częściowa.

• Allele wielokrotne – występują więcej niż dwa allele danego genu, chociaż diploidalna komórka danego organizmu zawiera jedynie dwa allele spośród kilku możliwych, a w gamecie występuje jeden allel. Więcej na ten temat w e‑materiale: Kodominacja i allele wielokrotneDIY4jW5ocKodominacja i allele wielokrotne.

• Zjawisko kodominacji – w fenotypie heterozygoty ujawniają się oba allele; nie można wyróżnić allelu dominującego i recesywnego, są one równorzędne. Więcej na ten temat doczytasz także w e‑materiale: Kodominacja i allele wielokrotneDIY4jW5ocKodominacja i allele wielokrotne.

• Plejotropowe działanie genów – dany gen wpływa na warunkowanie więcej niż jednej cechy fenotypowej. Więcej na ten temat w e‑materiale: PlejotropizmDhnWwIM6fPlejotropizm.

• Współdziałanie dwóch lub większej liczby genów – cecha fenotypowa warunkowana jest przez więcej niż jeden gen. Więcej na ten temat w e‑materiale: Współdziałanie genów – ćwiczeniaDuqqEyUYOWspółdziałanie genów – ćwiczenia.

• Dziedziczenie cech sprzężonych z płcią – geny (ich allele) odpowiedzialne za dane cechy znajdują się na chromosomach płci; najczęściej na chromosomie X. Ich wystąpienie zależy od układu chromosomów płci (XX, XY). Więcej na ten temat w e‑materiale: Cechy sprzężone z płciąDUlfmrBfDCechy sprzężone z płcią.

• Dziedziczenie pozajądrowe – warunkowane przez pozachromosomowy materiał genetyczny: mitochondrialny lub chloroplastowy (w przypadku roślin). Więcej na ten temat w e‑materiale: Dziedziczenie pozajądroweDjn2N9I5cDziedziczenie pozajądrowe.

Z czego wynika ogromne zainteresowanie świata nauki, zwłaszcza medycyny, genetyką? Wyniki badań genetycznych pozwalają stwierdzić np. dlaczego w jednej populacji częściej niż w innych występuje cukrzyca, jakie jest ryzyko rozwoju określonego nowotworu u danej osoby, a także które leki okażą się skuteczne w przypadku konkretnego chorego. Rozwój badań genetycznych łączy się więc i z medycyną populacyjną, i medycyną spersonalizowaną, nastawioną na dobór terapii ściśle dostosowanej do przypadku (w tym genotypu) danego chorego. Z wykorzystaniem inżynierii genetycznej powstają m.in. leki biologiczne, natomiast dzięki farmakogenetyce można określić typ leku i jego dawkę, które będą skuteczne i bezpieczne dla danego chorego.

Słownik