Genetyka jest to nauka zajmująca się zmiennością i dziedziczeniem u wszystkich istot żywych. Rozwinęła się na początku XX wieki, kiedy to odkryto prawa Mendla a następnie ugruntowano chromosomową teorię dziedziczności, co dało podwaliny dla genetyki klasycznej. Opierając się na tych podstawach genetyka ogólna badała prawidłowości przekazywania informacji genetycznej, jej replikacji, segregacji, rekombinacji i mutacji. Gwałtowny rozwój genetyki nastąpił dzięki odkryciu, że materiałem genetycznym jest DNA ( u niektórych RNA) i ustaleniu jego struktury a także odczytanie kodu genetycznego. Pozwoliło to na zrozumienie sposobów przechowywania i powielania informacji genetycznej oraz jej funkcję polegająca na kontroli metabolizmu, rozwoju i odtwarzaniu cech dziedzicznych. Badania takie wchodzą w zakres genetyki molekularnej. Genetyka obejmuje szereg działów badających między innymi następujące problemy:

  • Cytogenetyka - bada budowę i funkcję chromosomów oraz ich związek z przekazywaniem informacji genetycznej,
  • Fenogenetyka oraz genetyka rozwoju - zajmuje się mechanizmami działania genów w procesie wytwarzania cech w czasie rozwoju osobniczego,
  • Genetyka odporności, czyli immunogenetyka - zajmuje się genetycznymi mechanizmami zjawisk odporności i tolerancji immunologicznej,
  • Genetyka człowieka - bada genetyczne uwarunkowanie cech fizycznych i umysłowych człowieka oraz sposób ich przekazywania,
  • Genetyka lekarska lub medyczna - bada przyczyny i sposób przekazywania chorób dziedzicznych.

Jest wiele innych działów genetyki które zajmują się poszczególnymi grupami organizmów lub nawet poszczególnymi gatunkami. Odrębny dział stanowi genetyka populacji, która zajmuje się zjawiskami zmienności i dziedziczności na poziomie całej populacji. Bada jej skład genetyczny oraz analizuje czynniki wpływające na zmianę częstości występowania genów i w konsekwencji powodujące zmiany ewolucyjne na poziomie populacyjnymi.

Cytogenetyka:

Cytogenetyka jest to dział z pogranicza genetyki i cytologii. Zajmuje się badaniem podłoża komórkowego procesów genetycznych z zwłaszcza budowy i zachowania się chromosomów w czasie mitozy i mejozy a także analizą skutków nieprawidłowej liczby i struktury chromosomów. Cytogenetyka człowieka bada kariotyp człowieka i poszczególnych chromosomów. Zajmuje się ich zmiennością i aberracjami a także konstruuje mapy chromosomów za pomocą wszystkich dostępnych metod tzn. crossing - over, aberracji strukturalnych, krzyżowania komórek somatycznych, sond molekularnych.

Genetyka człowieka:

Genetyka człowieka jest to dział genetyki zajmujący się zagadnieniami związanymi ze zmiennością człowieka. Szeroki zakres badań oraz stosowanie różnorodnych metod pozwala na wyróżnienie kilku jej kierunków.

Genetyka człowieka ogólna bada genetyczne podłoże cech monogenicznych i poligenicznych a także mechanizmy dziedziczenia - dominujące, recesywne, autosomalne, sprzężone z płcią. Zajmuje się ona także efektem ujawnienia genów oraz relacjami pomiędzy genotypem, środowiskiem i fenotypem (między innymi metoda bliźniąt). Z powodu braku możliwości przeprowadzania eksperymentów - niska rozrodczość człowieka, długie interwały międzypokoleniowe oraz względy etyczno - prawne posługuje się metodami:

  • Ekstrapolacyjnymi - odniesienie do człowieka obserwacji i doświadczeń dokonanych na zwierzętach,
  • Genealogicznych - są to badania retrospektywne, rodzin wielopokoleniowych, opracowywanie rodowodów cech
  • Klinicznych - obserwacje cech odbiegających od normy lub patologicznie zmienionych.

Do genetyki człowieka należy zaliczyć również obserwacje cech o złożonym i nie w pełni poznanym modelu dziedziczenia np. wzory dermatoligraficzne, cechy opisowe, takie jak budowa małżowiny usznej, oprawa oka czy struktura tęczówki.

Genetyka molekularna:

Genetyka molekularna bada chemiczną strukturę pojedynczych genów i całego genomu człowieka. Zajmuje się także wyjaśnieniem polimorfizmu DNA, zjawiskami mutagenezy oraz genetycznej kontroli fenotypu.

Genetyka populacyjna:

Genetyka populacyjna stosuje metody statystyczne do opisu populacji ludzkich pod względem puli genowej i zjawiska nią wpływających - dryf genetyczny, selekcja, małżeństwa nielosowe, migracje genów a także szuka przyczyn genetycznego zróżnicowania ras.

Genetyka medyczna:

Genetyka medyczna to inaczej genetyka lekarska lub genetyka stosowana człowieka. Zajmuje się zastosowaniem osiągnięć wszystkich kierunków genetyki człowieka w praktyce medycznej. Do najważniejszych problemów genetyki medycznej należą:

  • Genetyka nowotworów - badania nad onkogenami i genami przeciwnowotworowymi oraz ich produktami,
  • Mutageneza - identyfikacja czynników mutagenicznych i poznanie biologicznych skutków ich działania,
  • Genetyka wad metabolizmu - najczęściej występujących schorzeń o podłożu genetycznym,
  • Etiologia - wady wrodzone u człowieka,
  • Leczenie chorób dziedzicznych,
  • Poradnictwo genetyczne.

Genetyka nowotworów:

Istnieje kilka dowodów wskazujących na to, że nowotwór jest chorobą powodowaną przez uszkodzony gen:

  • Mitoza jest w komórkach nowotworowych zachodzi w sposób nieprecyzyjny i prowadzi do zmienności liczby chromosomów w komórkach tego samego guza. Określa się to jako heteroploidię.
  • Chromosomy w guzach często wykazują rearanżacje strukturalne, chociaż w większości z nich zachodzi w sposób losowy to w kilku typach nowotworów wykrywa się specyficzne rearanżacje.
  • Większość mutagenów jest karcynogenami, czyli czynnikami, które powoduje powstanie nowotworu.
  • Predyspozycje zarówno do pojedynczej jak i wielorakiej formy nowotworu dziedziczą się w niektórych rodzinach.

Mimo ze obserwacje te stanowią mocne dowody genetycznego podłożą nowotworów to konieczne jest zidentyfikowanie szczególnie tych genów które zaangażowane są w procesie samego nowotworzeni. Zidentyfikowano trzy klasy genów:

  • Onkogeny,
  • Geny supresorowe nowotworu,
  • Geny naprawcze DNA, których nieprawidłowe funkcjonowanie może być przyczyna raka.

W niektórych rodzinach występują rzadkie nowotwory i stosunkowo mało tych występujących najczęściej w populacji. Rodziny takie nazywa się jako mające predyspozycję do powstawania nowotworów. Może się poodnosić do jego specyficznej formy np. do nowotworu piersi lub też innych narządów. Dziedziczna predyspozycja do nowotworu może powstać przez mutacje genów supresorowych w komórkach szlaku płciowego. Wówczas wszystkie komórki somatyczne osobnika zawierają jeden zmutowany allel i ryzyko powstania nowotworu ogromnie wzrasta z powodu inaktywacji pojedynczego normalnego allelu. Przykładem u człowieka jest gen retinoblastomy na chromosomie 13 oraz gen dziedzicznej predyspozycji nowotworu piersi i jajnika na chromosomie 17. W komórkach rakowych normalny allel nie jest aktywowany. Geny typowe dla rodzinnego nowotworu często ulegają spontanicznym somatycznym mutacjom odziedziczonym po przodkach. Nowotwory dziedziczne są przekazywane w taki sposób jak autosomalne allele dominujące, ponieważ cierpiący na nie pacjent przekazuje je połowie potomstwa, mimo ze mutacje w genach supresorowych nowotworu są recesywne. Dzieje się tak, ponieważ osobnik ma tylko jedną funkcjonalną kopię genu, supresorowego w każdej komórce, dlatego bardzo prawdopodobne jest to że w pewnych komórkach druga mutacja spowoduje inaktywację tej jedynej prawidłowo funkcjonującej kopii. Takie podwójnie zmutowane komórki mogą dać początek nowotworowi.

Z dziedziczeniem nowotworów związane są również geny naprawcze DNA. Przykładem tego jest choroba zwana rybią łuską. Jest to autosomalne, recesywna choroba, w której chore osoby SA bardziej wrażliwe na światło słoneczne z powodu braku endonukleazy zaangażowanej w naprawę DNA. Rezultatem zmutowanych alleli kilku różnych genów może być predyspozycja do nowotworu okrężnicy. W komórkach nowotworu naprawa uszkodzonego DNA jest mniej skuteczna niż w zdrowych komórkach, co powoduje wysoką częstość mutacji. Niektóre z tych mutacji występują w genach supresorowych nowotworu lub proonkogenach.

Mutageneza:

Mutacje mogą powstawać w wyniku błędów wprowadzanych podczas replikacji DNA. Szybkość mutacji wzrasta, gdy komórki są wystawione na działanie czynników chemicznych lub fizycznych zwanych mutagenami. Reagują bezpośrednio z DNA i zmieniają strukturę pojedynczych nukleotydów. Może to prowadzić do takich zmian i zaburzeń w parowaniu zasad ze podczas replikacji DNA niewłaściwa zasada wbudowywana jest naprzeciw zasady zmodyfikowanej zmieniając w ten sposób sekwencję DNA. Dodatkowa replikacja utrwala zmianę tworząc zmutowana sekwencję DNA. Mutageny działają w różny sposób i powodują poważne fizyczne uszkodzenia DNA, które blokują replikację lub transkrypcję DNA. Wiele różnych naturalnych i syntetycznych, organicznych i nieorganicznych związków chemicznych może reagować z DNA zmieniając jego strukturę i powodując mutacje. Większość mutagenów chemicznych jest rakotwórcza i sprzyja powstawaniu nowotworów. Mutacje może powodować dodatkowo szereg czynników fizycznych. Dotyczy to promieniowania jonizującego w postaci promieni X i gamma, promieniowania niejonizujacego, a zwłaszcza światła ultrafioletowego i ciepła.

Wady metabolizmu:

Związki występujące w organizmach są przekształcane w reakcjach enzymatycznych tworząc tzw. drogi lub szlaki metaboliczne. Reakcje biochemiczne poszczególnych szlaków są tak ułożone, że produkt jednej przemiany enzymatycznej stanowi substrat dla następnej przemiany. Schorzenia zaklasyfikowane jako bloki metaboliczne są zaburzeniami metabolizmu. Powstają na skutek genetycznie uwarunkowanego niedoboru lub braku enzymu katalizującego określona reakcję w danym szlaku metabolicznym. Są one dziedziczone jako recesywna cecha autosomalne. Najlepiej poznanymi przykładami bloków metabolicznych są anomalie w przemianie aminokwasów takich jak fenyloalanina i tyrozyna.

  • Fenyloketonuria - spowodowana jest brakiem lub silnym deficytem, hydroksykazy fenyloalaninowej, czyli enzymu przekształcającego fenyloalanina w tyrozynę. W skutek tego przemiana fenyloalanina odbywa się szlakiem alternatywnym i powstaje kwas fenylopirogronowy przekształcany następnie do kwasu fenylomlekowego i fenylooctowego, które wydalane są z moczem. Nagromadzenie tych kwasów w ustroju powoduje uszkodzenie układu nerwowego oraz niedorozwój umysłowy i fizyczny.
  • Tyrozynoza - wywołana jest niedoborem hydroksylazy kwasu hydroksyfenylopirogronowego, enzymu przekształcającego ten kwas w kwas homogentyzynowy. W rezultacie w organizmie dochodzi do nagromadzenia się kwasu hydroksyfenylopirogronowego, który jest przekształcany w tyrozynę wydzielaną w nadmiernych ilościach do moczu.
  • Alkaptonuria - spowodowana jest brakiem oksydazy kwasu homogentyzowego, enzymu przekształcającego ten kwas w kwas fumarowy. Kwas homogentyzowy odkładany jest w stawach, chrząstkach oraz skórze wywołując stany zapalne a nadmiar kwasu wydalany jest z moczem powodując ciemne zabarwienie moczu w zetknięciu z tlenem atmosferyczny.
  • Kretynizm tarczycowy - wywołany jest brakiem enzymu przekształcającego tyrozynę w hormony tarczycy. Skutkiem tego jest różny stopień nasilenia niedorozwoju umysłowego, wywołany niedoczynnością tarczycy.
  • Albinizm - spowodowany jest brakiem enzymy tyrozynazy, przekształcającego dihydroksyfenyloalaninę w melaninę, która jest barwnikiem skóry, Nie powstaje wówczas melanina nie ma, więc pigmentu w skórze we włosach i w tęczówce oka. Osobniki niewytwarzające melaniny są albinosami o jasnej skórze, białych włosach, brwiach i rzęsach. Tęczówka oka jest bezbarwna a naczynia krwionośne prześwitujące przez nią nadaj ą oku czerwoną barwę.
  • Aminoacydurie - polegają na wydalaniu z moczem jednego lub kilku niezwiązanych aminokwasów w ilościach większych od spotykanych w moczu fizjologicznym. Istniej około 20 rodzajów tych schorzeń np. glicynuria, cystynuria, cystynoza.

Bloki metaboliczne mogą dotyczyć również enzymów związanych z przemianami cukrów:

  • Galaktozemia - wywołana jest brakiem enzymu przekształcającego galaktozo - 1 - fosforan w galaktozę. U chorych występuje powiększenie wątroby i śledziony oraz nieodwracalne zmiany w układzie nerwowym a nawet śmierć.

Bloki metaboliczne dotyczące przemian lipidów:

  • Choroba Tay - Sachsa - polega ona na nadmiernym odkładaniu się lipidów w komórkach ośrodkowego i obwodowego układu nerwowego. Choroba ta kończy się zwykle śmiercią.

Wady wrodzone uwarunkowane genetycznie:

  • Zespół Downa - jest to trisomia 21 pary chromosomów lub trisomia 21 pary połączona z translokacją. Objawami zespołu Downa jest niedorozwój umysłowy, niski wzrost, nieprawidłowe proporcje ciała, zbyt duży język, wady narządów wewnętrznych.
  • Zespół Pataua - jest to trisomia 13 pary chromosomów. Jej objawy to: niedorozwój umysłowy, wady oczu, deformacja uszu, rozszczep wargi, większa liczba palców.
  • Zespół Edwardsa - jest to trisomia 18 pary chromosomów. Objawia się głębokim niedorozwojem umysłowym, wadami rozwojowymi, osobniki takie umierają we wczesnej fazie dzieciństwa.
  • Zespół Cri Du Chat - zwany jest zespołem miauczenia kota, jest to delacja ramion krótkich chromosomu 5. Objawia się niedorozwojem umysłowym, małomózgowiem, niskim osadzeniem uszu, rozszczepem podniebienia i charakterystycznym płaczem przypominającym miauczenie kota.
  • Zespół Turnera - jest to monosomia chromosomów płci XO. Objawia się bezpłodnością w wyniku niedorozwoju jajników, niskim wzrostem, krępą budową ciała i upośledzeniem umysłowym.
  • Zespół superfemale "nadkobieta" - jest to trisomia chromosomów X, czyli XXX. Nie występują żadne charakterystyczne zmiany somatyczne, w niektórych przypadkach stwierdzono brak miesiączki lub zaburzenia miesiączkowania.
  • Zespół Klinefertera - jest to trisomia chromosomów płci, przy zmiennej liczbie chromosomów X występuje chromosom Y. Objawy to bezpłodność w wyniku niedorozwoju jąder, eunuchoidalne proporcje ciała.
  • Mężczyźni XYY - jest to trisomia chromosomów płci XYY. Objawia się prawidłowym rozwojem wszystkich cech męskich, wysokim wzrostem, zwiększoną pobudliwością emocjonalna i wzmożona agresywnością.

Inne schorzenia uwarunkowane genetycznie:

  • Anemia sierpowata - determinowana jest przez gen recesywny i spowodowana jest mutacją punktową. Objawia się tym, że erytrocyty posiadają kształt sierpowaty, dzięki czemu mogą czopować naczynia krwionośne utrudniając ukrwienie wielu narządów. Choroba ta występuje w pasie tropikalnym Afryki i Bliskiego Wschodu. Obecność krwinek sierpowatych nie dopuszcza do rozwoju zarodźca malarii.
  • Hemofilia - jest to brak krzepliwości krwi
  • Daltonizm - jest to nieumiejętność rozróżniania barw. Hemofilia i daltonizm są to choroby wywołane genami recesywnymi znajdującymi się na chromosomie X a więc są sprzężone z płcią. Ujawniają się one głównie u mężczyzn, ponieważ nie mają oni drugiego chromosomu homologicznego, natomiast choroby te przenoszone są przez kobiety.

Lekarz od dawna obserwowali, że wiele chorób i nieprawidłowości u ludzi występuje rodzinnie. Znanych jest ponad 2000 takich chorób dziedzicznych. Skutkom wielu chorób można zapobiegać stosując np. odpowiednią dietę np. w fenyloketonurii czy galaktozemii. Można też zapobiegać doraźnie np. podając osobom chorym na hemofilię czynnik krzepnięcia krwi. Bardzo ważny jest też system poradnictwa genetycznego. Jeżeli w danej rodzinie występują choroby dziedziczne to nawet osoby zdrowe mogą być nosicielami recesywnego allelu danej choroby. Są też możliwości pobierania pewnej ilości komórek z rozwijającego się embrionu i oznaczaniu czy w tych komórkach występuje określony blok metaboliczny. Usuwanie przyczyn chorób dziedzicznych tzn. zastępowanie w genomie człowieka genu zmutowanego przez normalny gen jest na razie niemożliwe, ale prawdopodobnie będzie możliwe w ciągu kilku lat.