Kas ir ģenētika — gēni, iedzimtība un evolūcija

Dzīvas būtnes sastāv no miljoniem sīku, pašpietiekamu komponentu, ko sauc par šūnām. Katras šūnas iekšpusē ir garas un sarežģītas molekulas, ko sauc par dezoksiribonukleīnskābi. DNS glabā informāciju, kas norāda šūnām, kā izveidot šo dzīvo būtni. Šīs informācijas daļas, kas norāda, kā izveidot kādu mazu dzīvās būtnes daļu vai īpašību - sarkanos matus, zilās acis vai tieksmi būt augstam -, sauc par gēniem.

Katrai dzīvas būtnes šūnai ir viena un tā pati DNS, taču katrā šūnā tiek izmantota tikai daļa no tās. Piemēram, daži gēni, kas nosaka, kā veidot aknu daļas, smadzenēs ir izslēgti. Arī izmantotie gēni laika gaitā var mainīties. Piemēram, grūtniecības sākumā bērns izmanto daudz gēnu, kas vēlāk netiek izmantoti.

Cilvēkam ir divas katra gēna kopijas - viena no mātes un viena no tēva. Vienam gēnam var būt vairāki tipi, kas dod dažādas instrukcijas: viena versija var izraisīt zilas acis, bet cita - brūnas. Šīs dažādās versijas sauc par gēna alēlēm.

Tā kā dzīvai būtnei ir divas katra gēna kopijas, tai vienlaikus var būt divas dažādas gēna alēles. Bieži vien viena alēle ir dominējošā, kas nozīmē, ka dzīvā būtne izskatās un darbojas tā, it kā tai būtu tikai šī viena alēle. Neizteikto alēli sauc par recesīvo. Citos gadījumos ir kaut kas starp abām iespējām. Šādā gadījumā abas alēles sauc par līdzdominantām.

Lielākajai daļai dzīvās būtnes īpašību ir vairāki gēni, kas tās ietekmē. Un daudziem gēniem ir vairākas ietekmes uz organismu, jo to funkcijai katrā audā nebūs vienāda ietekme. Viena gēna daudzējādību sauc par pleiotropismu. Visu gēnu kopumu sauc par genotipu, un gēnu kopējo ietekmi uz organismu sauc par fenotipu. Šie ir galvenie termini ģenētikā.

Pirmsmendeliskās idejas

Mēs zinām, ka cilvēks sāka audzēt mājdzīvniekus jau agrīnos laikos, iespējams, pirms lauksaimniecības izgudrošanas. Mēs nezinām, kad iedzimtība pirmo reizi tika novērtēta kā zinātniska problēma. Grieķi un, acīmredzot, Aristotelis pētīja dzīvās radības un izvirzīja idejas par vairošanos un iedzimtību.

Iespējams, vissvarīgākā ideja pirms Mendeļa bija Čārlza Darvina ideja par pangēzi, kurai bija divas daļas. Pirmā, ka noturīgas iedzimtības vienības pāriet no paaudzes paaudzē, bija pilnīgi pareiza. Otrā bija viņa ideja, ka tās tiek papildinātas ar "gemmuļiem" no somatiskajiem (ķermeņa) audiem. Tas bija pilnīgi nepareizi, un šodien zinātnē tam nav nekādas nozīmes. Darvinam bija taisnība par vienu lietu: visam, kas notiek evolūcijas gaitā, ir jānotiek ar iedzimtības palīdzību, un tāpēc precīza ģenētikas zinātne ir evolūcijas teorijas pamatā. Ģenētikas un evolūcijas "pārorientēšanās" prasīja daudzus gadus. Tā rezultātā tika izveidota mūsdienu evolūcijas sintēze.

Mendeļa ģenētika

Ģenētikas pamatnoteikumus pirmo reizi atklāja mūks Gregors Mendelis ap 1865. gadu. Cilvēki jau tūkstošiem gadu bija pētījuši, kā iezīmes tiek pārmantotas no vecākiem uz bērniem. Tomēr Mendeļa darbs bija atšķirīgs, jo viņš savus eksperimentus veidoja ļoti rūpīgi.

Savos eksperimentos Mendelis pētīja, kā zirņu augiem tiek nodotas īpašības. Viņš sāka krustošanu ar augiem, kas bija īsti, un uzskaitīja pazīmes, kas dabā bija vai nu/vai (vai nu augsti, vai zemi). Viņš pavairoja lielu skaitu augu un rezultātus izteica skaitliski. Viņš izmantoja testa krustošanu, lai atklātu recesīvo pazīmju klātbūtni un īpatsvaru.

Mendelis sava eksperimenta rezultātus izskaidroja ar diviem zinātniskiem likumiem:

• 1. Faktori, vēlāk saukti par gēniem, parastās ķermeņa šūnās parasti sastopami pa pāriem, bet dzimumšūnu veidošanās laikā tie atdalās. Šie faktori nosaka organisma īpašības un tiek pārmantoti no vecākiem. Kad gametas veidojas mejozes ceļā, abi faktori atdalās. Gamēta saņem tikai vienu vai otru. Mendelis to nosauca par segregācijas likumu.
• 2. Veidojoties gametām, dažādu gēnu aleles atdalās neatkarīgi viena no otras. Šo likumu viņš sauc par neatkarīgas sortimentācijas likumu. Tādējādi Mendelis uzskatīja, ka dažādas pazīmes tiek pārmantotas neatkarīgi viena no otras. Tagad mēs zinām, ka tā ir taisnība tikai tad, ja gēni neatrodas vienā hromosomā, un tādā gadījumā tie nav savstarpēji saistīti.

Mendeļa likumi palīdzēja izskaidrot rezultātus, ko viņš novēroja savos zirņu augos. Vēlāk ģenētiķi atklāja, ka viņa likumi attiecas arī uz citām dzīvām būtnēm, pat cilvēkiem. Mendeļa atklājumi, kas gūti, strādājot ar dārza zirņiem, palīdzēja izveidot ģenētikas nozari. Viņa ieguldījums neaprobežojās tikai ar viņa atklātajiem pamatnoteikumiem. Mendeļa rūpība par eksperimenta apstākļu kontroli un uzmanība, ko viņš veltīja skaitliskajiem rezultātiem, noteica standartu turpmākajiem eksperimentiem. Gadu gaitā zinātnieki ir mainījuši un pilnveidojuši Mendeļa idejas. Tomēr ģenētikas zinātne šodien nebūtu iespējama bez Gregora Mendeļa agrīnā darba.

Starp Mendeli un mūsdienu ģenētiku

Laikā no Mendeļa darba līdz 1900. gadam tika izstrādāti citoloģijas - šūnu izpētes - pamati. Atklātie fakti par kodolu un šūnu dalīšanos bija būtiski, lai pareizi izprastu Mendeļa darbu.

1832: Bartelemī Dumortjē (Barthélémy Dumortier), pirmais novērojis šūnu dalīšanos daudzšūnu organismā.

1841, 1852: (1815-1865), ebreju izcelsmes poļu-vācu fiziologs Roberts Remaks (1815-1865) bija pirmais cilvēks, kurš izklāstīja šūnu bioloģijas pamatus: ka šūnas rodas tikai no citām šūnām. Vēlāk to popularizēja vācu ārsts Rūdolfs Virhovs (1821-1902), kurš lietoja slaveno frāzi omnis cellula e cellula, kas nozīmē visas šūnas no citām šūnām.

1865: Tika publicēts Gregora Mendeļa darbs "Eksperimenti par augu hibridizāciju".

1876: Vācu biologs Oskars Hertvigs (1849-1922) pirmo reizi atklāja un aprakstīja mejozi jūras ežu olās.

1878–1888: Valters Flemings un Eduards Strasburgers apraksta hromosomu uzvedību mitozes laikā.

1883: Hromosomu līmenī mejozi aprakstīja beļģu zoologs Eduārs van Benedens (Edouard van Beneden, 1846-1910) Ascaris (apaļo tārpu) olās.

1883: Vācu zoologs Vilhelms Roukss (Wilhelm Roux, 1850-1924) saprata hromosomu lineārās struktūras nozīmi. To sadalīšanās divās vienādās gareniskās daļās nodrošināja, ka katra meitas šūna iegūst vienādu hromosomu komplektu. Tāpēc hromosomas bija iedzimtības nesējas.

1889: Holandiešu botāniķis Hugo de Vries ierosina, ka "specifisku organismu īpašību pārmantojamība notiek daļiņās", nosaucot šādas daļiņas par (pan)gēniem.

1890: Vācu biologs Augusts Veismans (1834-1914) 1890. gadā aprakstīja meiozes nozīmi vairošanās un mantošanas procesā, norādot, ka, lai no vienas diploīdas šūnas izveidotu četras haploīdas šūnas, ja jāsaglabā hromosomu skaits, ir nepieciešamas divas šūnu dalīšanās.

1902–1904: Teodors Boveri (1862-1915), vācu biologs, vairākos rakstos vērsa uzmanību uz atbilstību starp hromosomu uzvedību un Mendeļa iegūtajiem rezultātiem. Viņš apgalvoja, ka hromosomas ir "neatkarīgas vienības, kas saglabā savu neatkarību pat miera stāvoklī esošā kodolā...". Tas, kas iziet no kodola, ir tas, kas tajā ieiet".

1903: Valters Sūtons ierosināja, ka hromosomas, kas dalās Mendeļa veidā, ir iedzimtības vienības. 1903. gadā: Volters Sūtons ierosināja, ka hromosomas, kas dalās Mendeļa veidā, ir iedzimtības vienības. Edmunds B. Vilsons (Edmund B. Wilson, 1856-1939), Suttona skolotājs un vienas no slavenākajām bioloģijas mācību grāmatām autors, to nosauca par Suttona-Boveri hipotēzi.

Šajā brīdī citoloģijas atklājumi saplūda ar no jauna atklātajām Mendeļa idejām, veidojot sintēzi, ko sauc par citogenetiku (cyto = šūna; ģenētika = iedzimtība), kas turpinās līdz pat mūsdienām.

Mendeļa darba atkārtota atklāšana

1890. gados vairāki biologi sāka eksperimentēt ar selekciju, un drīz vien Mendeļa rezultāti tika dublēti, pat pirms viņa darbi tika izlasīti. Kārlis Korenss un Hugo de Vriess bija galvenie Mendeļa darbu un likumu pārzinātāji. Abi atzina Mendeļa prioritāti, lai gan iespējams, ka de Vriess savus rezultātus saprata tikai pēc Mendeļa izlasīšanas. Lai gan sākotnēji arī Eriham fon Čermakam tika piedēvēta atkārtota atklāšana, tas vairs netiek pieņemts, jo viņš neizprata Mendeļa likumus. Lai gan vēlāk de Vriess zaudēja interesi par mendelicismu, citi biologi izveidoja ģenētiku par zinātni.

Mendeļa rezultāti tika atkārtoti, un drīz vien tika noskaidrota ģenētiskā saistība. Iespējams, ka Viljams Batesons pirmajās dienās darīja visvairāk, lai popularizētu Mendela teoriju. Vārds "ģenētika" un cita terminoloģija radās, pateicoties Batesonam.

Mendeļa eksperimentu rezultāti vēlāk ir bijuši diskusiju objekts. Fišers analizēja F2 (otrās atvases) attiecības rezultātus un konstatēja, ka tie ir neticami tuvi precīzai attiecībai 3 pret 1. Dažkārt tiek izteikts pieņēmums, ka Mendels, iespējams, ir cenzējis savus rezultātus un ka viņa septiņas pazīmes katra parādās atsevišķā hromosomu pārī, kas ir ļoti maz ticams gadījums, ja tās būtu izvēlētas nejauši. Patiesībā Mendeļa pētītie gēni sastopami tikai četrās saišu grupās, un tikai viens gēnu pāris (no 21 iespējamā) ir pietiekami tuvs, lai parādītu novirzi no neatkarīgas sortimentācijas; tas nav Mendeļa pētītais pāris.

Mutācijas

DNS replikācijas procesā dažkārt rodas kļūdas. Šīs kļūdas, ko sauc par mutācijām, var ietekmēt organisma fenotipu. Tas savukārt parasti ietekmē organisma piemērotību, tā spēju dzīvot un veiksmīgi vairoties.

Kļūdu īpatsvars parasti ir ļoti zems - 1 kļūda uz katriem 10-100 miljoniem bāzu, pateicoties DNS polimerāžu "korektūras" spējai. Daudzos vīrusos kļūdu skaits ir tūkstoškārt lielāks. Tā kā tie izmanto DNS un RNS polimerāzes, kurām trūkst korektūras spējas, mutāciju skaits tajos ir lielāks.

Procesus, kas palielina DNS izmaiņu ātrumu, sauc par mutagēniem. Mutagēnās ķīmiskās vielas palielina kļūdas DNS replikācijā, bieži vien izjaucot bāzu pāru struktūru, savukārt UV starojums izraisa mutācijas, izraisot DNS struktūras bojājumus. Ķīmiski DNS bojājumi rodas arī dabiski, un šūnas izmanto DNS labošanas mehānismus, lai labotu DNS nesakritības un pārrāvumus - tomēr labošana dažkārt nespēj atgriezt DNS sākotnējo secību.

Organismos, kas izmanto hromosomu krustošanos, lai apmainītos ar DNS un rekombinētu gēnus, mejozes laikā izlīdzināšanas kļūdas arī var izraisīt mutācijas. Kļūdas krustošanā ir īpaši iespējamas, ja līdzīgas sekvences liek partneru hromosomām pieņemt kļūdainu izlīdzinājumu; tāpēc daži genomu reģioni ir vairāk pakļauti šādām mutācijām. Šīs kļūdas rada lielas strukturālas izmaiņas DNS secībā - dublēšanos, veselu reģionu inversijas vai izdzēsumus vai nejaušu veselu daļu apmaiņu starp dažādām hromosomām (ko sauc par translokāciju).

Punneta kvadrāti

Punneta kvadrātus, ko izstrādāja Reginalds Punnets, izmanto biologi, lai noteiktu varbūtību, ka pēcnācējiem būs konkrēts genotips.

Ja B apzīmē melnmataino matu alēli un b - baltmataino matu alēli, tad divu Bb vecāku pēcnācējiem ir 25 % varbūtība, ka viņiem būs divas baltmataino matu alēles (bb), 50 % - ka viņiem būs pa vienai no abām (Bb), un 25 % - ka viņiem būs tikai melnmataino matu alēles (BB).

Ciltsrakstu diagramma

Ģenētiķi (biologi, kas pēta ģenētiku) izmanto ciltsrakstus, lai reģistrētu ģimenes locekļu iezīmes. Izmantojot šīs diagrammas, ģenētiķi var pētīt, kā pazīmes tiek pārmantotas no cilvēka uz cilvēku.

Ģenētiķi var arī izmantot ciltsrakstus, lai prognozētu, kā iezīmes tiks nodotas nākamajiem ģimenes bērniem. Piemēram, ģenētiskie konsultanti ir speciālisti, kas strādā ar ģimenēm, kuras varētu skart ģenētiskas slimības. Savā darbā viņi sastāda ģimenes ciltsrakstus, kurus var izmantot, lai izpētītu, kā slimība varētu tikt pārmantota.

Dvīņu pētījumi

Tā kā cilvēkus eksperimentālā ceļā audzēt nevar, cilvēka ģenētika ir jāpēta ar citiem līdzekļiem. Viens no jaunākajiem veidiem ir cilvēka genoma izpēte. Cits veids, kas ir daudzus gadus vecāks, ir dvīņu izpēte. Identiskie dvīņi ir dabiski kloni. Tiem ir vienādi gēni, un tos var izmantot, lai izpētītu, cik lielu ieguldījumu iedzimtība dod individuālai cilvēka uzbūvei. Pētījumi ar dvīņiem ir bijuši diezgan interesanti. Ja mēs sastādām raksturīgo iezīmju sarakstu, atklājas, ka tās atšķiras pēc tā, cik lielā mērā tās ir atkarīgas no iedzimtības. Piemēram:

• Acu krāsa: pilnībā pārmantota
• Svars, augums: daļēji iedzimts, daļēji vides ietekmē.
• Valoda, kurā cilvēks runā, ir pilnībā atkarīga no vides.

Pētījumi tiek veikti šādā veidā. Ņem viendzimto dvīņu grupu un brālīgo dvīņu grupu. Izmēra viņiem dažādas pazīmes. Veic statistisko analīzi (piemēram, dispersijas analīzi). Tas parāda, cik lielā mērā iezīme ir iedzimta. Tās pazīmes, kas ir daļēji pārmantojamas, būs ievērojami līdzīgākas viendzimuma dvīņiem. Šādus pētījumus var turpināt, salīdzinot kopā audzinātus viendzimtos dvīņus ar citos apstākļos audzinātiem viendzimto dvīņiem. Tas ļauj noteikt, cik lielā mērā apstākļi var mainīt ģenētiski identisku cilvēku iznākumu.

Cilvēks, kurš pirmais veica dvīņu pētījumus, bija Darvina pusbrālēns Frānsiss Galtons, kurš bija viens no statistikas pamatlicējiem. Viņa metode bija izsekot dvīņu dzīves gaitām, veicot dažādus mērījumus. Diemžēl, lai gan viņš zināja par viendzimuma un divdzimuma dvīņiem, viņš nenovērtēja patieso ģenētisko atšķirību. Mūsdienu dvīņu pētījumi parādījās tikai 20. gadsimta 20. gados.

Baktēriju, arheju un vīrusu ģenētika ir nozīmīga pētniecības joma. Baktērijas lielākoties dalās ar aseksuālu šūnu dalīšanos, bet tām ir sava veida dzimums, izmantojot horizontālu gēnu pārnesi. Baktēriju konjugācija, transdukcija un transformācija ir to metodes. Turklāt tagad ir zināma daudzu baktēriju, arheju un vīrusu pilnīga DNS secība.

Lai gan daudzām baktērijām, piemēram, Staphylococcus aureus, tika piešķirti sugas un specifiski nosaukumi, visa ideja par sugu ir diezgan bezjēdzīga organismam, kuram nav dzimumu un hromosomu krustošanās. Tā vietā šiem organismiem ir celmi, un tieši tā tos identificē laboratorijā.

Gēnu ekspresija

Gēnu izpausme ir process, kurā gēna iedzimtā informācija - DNS bāzu pāru secība - tiek pārvērsta funkcionālā gēna produktā, piemēram, olbaltumvielā vai RNS. Pamatideja ir tāda, ka DNS tiek pārrakstīta RNS, kas pēc tam tiek tulkota olbaltumvielās. Olbaltumvielas veido daudzas šūnas vai organisma struktūras un visus enzīmus.

Var modulēt (regulēt) vairākus gēnu ekspresijas procesa posmus. Tas ietver gan transkripciju un  translāciju, gan olbaltumvielas galīgo salocīto stāvokli. Gēnu regulācija ieslēdz un izslēdz gēnus un tādējādi kontrolē šūnu diferenciāciju un morfogēzi. Gēnu regulācija var kalpot arī par pamatu evolūcijas pārmaiņām: gēnu ekspresijas laika, vietas un apjoma kontrole var būtiski ietekmēt organisma attīstību. Gēnu ekspresija dažādos audos var ļoti atšķirties. To sauc par pleiotropismu, kas ir plaši izplatīta parādība ģenētikā.

Alternatīvā sazarošana ir ļoti nozīmīgs mūsdienu atklājums. Tas ir process, kurā no viena gēna var izveidot lielu skaitu dažādu olbaltumvielu variantu. Viens konkrēts Drosophila gēns (DSCAM) var tikt alternatīvi sašķelts 38 000 dažādās mRNS.

Epigenētika un attīstības kontrole

Epigenētika ir pētījums par izmaiņām gēnu aktivitātē, ko neizraisa izmaiņas DNS secībā. Tā ir gēnu ekspresijas izpēte, proti, veids, kā gēni izraisa fenotipisko iedarbību.

Šīs izmaiņas gēnu aktivitātē var saglabāties visu atlikušo šūnas mūžu, un tās var saglabāties arī daudzās šūnu paaudzēs, veicot šūnu dalīšanos. Tomēr organisma pamatā esošā DNS secība nemainās. Tā vietā ar mantojumu nesaistīti faktori izraisa atšķirīgu organisma gēnu uzvedību (izpausmi).

Hox gēni ir gēnu komplekss, kura olbaltumvielas saistās ar mērķa gēnu regulatīvajiem reģioniem. Tad mērķa gēni aktivizē vai nomāc šūnu procesus, lai virzītu organisma galīgo attīstību.

Ārpuskodolu pārmantojamība

Ir daži iedzimtības veidi, kas notiek ārpus šūnas kodola. Parastā pārmantojamība notiek no abiem vecākiem, izmantojot hromosomas, kas atrodas apaugļotas olšūnas kodolā. Pastāv arī citi pārmantojamības veidi.

Organellu iedzimtība

Mitohondrijiem un hloroplastiem ir sava DNS. To sastāvu nosaka hromosomās esošie gēni un organelēs esošie gēni. Kārlis Korenss 1908. gadā atklāja šādu piemēru. Četru stundu augam Mirabilis jalapa ir baltas, zaļas vai raibas lapas. Korenss atklāja, ka putekšņi neietekmē šo mantojumu. Krāsu nosaka hloroplastos esošie gēni.

Infekciozā iedzimtība

To izraisa simbiotiskas vai parazītiskas attiecības ar mikroorganismu.

Mātes ietekme

Šajā gadījumā tiek transkribēti kodola gēni sieviešu gametā. Produkti uzkrājas olšūnas citoplazmā un ietekmē agrīno apaugļotās olšūnas attīstību. Šādi tiek noteikta gliemeža Limnaea peregra vijība. Labās puses gliemežvāki ir genotipa Dd vai dd, bet kreisās puses gliemežvāki ir dd.

Svarīgākais mātes ietekmes piemērs ir Drosophila melanogaster. Mātes efekta gēnu olbaltumvielu produkti aktivizē citus gēnus, kas savukārt aktivizē vēl vairāk gēnu. Par šo darbu 1995. gadā tika piešķirta Nobela prēmija fizioloģijā vai medicīnā.

Daudzos mūsdienu pētījumos tiek izmantota ģenētika, šūnu bioloģija un molekulārā bioloģija. Tēmas, par kurām ir piešķirtas Nobela prēmijas ķīmijā vai fizioloģijā, ir šādas:

• Alternatīvā sazarošana, kad viens gēns kodē dažādus saistītus olbaltumvielu produktus.
• Genomika, genomu funkciju un struktūras secības un analīze.
• Gēnu inženierija - organisma genoma pārveidošana, izmantojot biotehnoloģijas.
• Mobilie ģenētiskie elementi, DNS veidi, kas var mainīt savu vietu genomā.
• Horizontāla gēnu pārnese, kad organisms saņem ģenētisko materiālu no cita organisma, nebūdams šī organisma pēcnācējs.

Cilvēka uzvedības ģenētika

Daudziem labi zināmiem cilvēka uzvedības traucējumiem ir ģenētisks komponents. Tas nozīmē, ka to pārmantojamība daļēji izraisa šo uzvedību vai palielina iespējamību, ka šī problēma varētu rasties. Piemēri ir šādi:

• Autisms
• ADHD (uzmanības deficīta traucējumi)
• Narkotiku lietošana un ļaunprātīga lietošana
• Riska uzņemšanās
• Šizofrēnija

Arī normālu uzvedību lielā mērā ietekmē iedzimtība:

• Mācīšanās un kognitīvās spējas
• Personība

·          

·          

• ENCODE: pilnīga cilvēka genoma analīze
• Gēnu terapija