Kwas dezoksyrybonukleinowy DNA

DNA może być przekaźnikiem informacji genetycznej dzięki specyficznej budowie cząsteczki. Pojedyncza cząsteczka składa się z dwóch łańcuchów polinukleotydowych spiralnie skręconych. Skręt ten jest prawostronny. Lewostronny jest możliwy do uzyskania jedynie w laboratorium. Strukturę cząsteczki tego kwasu określa się jako dwuniciową helisę.

O tym, że DNA jest nośnikiem informacji genetycznej decyduje kilka czynników. Są to: prosta struktura chemiczna, podstawową jednostką budulcową jest nukleotyd oraz fakt, że cząsteczka składa się z łańcuchów.

Pojedynczy nukleotyd składa się z zasady azotowej (zlokalizowana na zewnątrz spirali), cukru - deoksyrybozy i reszty kwasu fosforowego (położone na zewnątrz nici). Zasada może być pirymidynowa (cytozyna lub tymina) albo purynowa (adenina lub guanina). Zasady łączą się między sobą na zasadzie komplementarności.

DNA da się wyrazić w jednostkach miar i wag. Długość podaje się w nanometrach, można podać z ilu par zasad się składa.

Kwas dezoksyrybonukleinowy występuje w jądrze komórkowym, mitochondriach, plastydach.

Model Watsona i Cricka

Są najprawdopodobniej dwie najważniejsze osoby w dziedzinie genetyki. Stworzony przez nich model cząsteczki kwasu dezoksyrybonukleinowego zakładał, że jest ona dwuniciowa mająca kształt spirali skręconej na zasadzie komplementarności, nici są stabilizowane przez wiązania wodorowe między zasadami (adenina łączy się z tyminą wiązaniem podwójnym, a guanina z cytozyną wiązaniem potrójnym), helisa ma średnicę dwóch nanometrów, a na skręt przypada dziesięć par nukleotydów.

Kod genetyczny

Kod ten to sposób zapisania informacji genetycznej. Jest on trójkowy, tzn. aminokwasy są kodowane przez 64 trójki zasad (kodony). Kodony nie zachodzą na siebie (niezachodzący). Pomiędzy tripletami nie ma żadnych innych znaków (bezprzecinkowy). Kod ten jest jednoznaczny - zakodowana informacja niezbędna do biosyntezy białka jest zawsze odczytywana w ten sam sposób. Jeden triplet koduje jeden aminokwas, ale ten sam aminokwas może być kodowany przez kilka kodonów (degeneracja kodu). Zasady tworzenia kodu są takie same u wszystkich organizmów (uniwersalność), ale kod nie jest taki sam. Kod jest kolinearny, to znaczy, że określonemu ułożeniu kodonów odpowiada określona kolejność aminokwasów w danym białku. Na matrycy DNA aminokwasy nie są bezpośrednio układane (pośredni charakter).

Wśród 64 trójek trzy stanowią kodony "stop", są to: UAG, UGA i UAA. Określa się je inaczej jako kodony nonsensowne, nie kodują żadnego aminokwasu, mówią o miejscu zakończenia biosyntezy białek. Kodon AUG jest kodonem inicjującym, koduje on metioninę u Eucaryota i formylometioninę u Procaryota.

Genom

Genomem nazywa różne sekwencje , które tworzą DNA danej komórki. Zawiera on wszystkie informacje konieczne do prawidłowego działania organizmu. Genom będzie tym większy, im wyżej w hierarchii ewolucji znajduje się dany organizm (ma bardziej złożone systemy funkcjonowania).

U Eucaryota genom jest pojedynczy (haploidalny), u Procaryota podwójny (diploidalny).

U prostych strukturalnie organizmów genom jest mały i nie posiada wszystkich informacji potrzebnych do działania organizmu. U Procaryota możliwe jest już prawidłowe działanie organizmu na poziomie komórkowym. Genom pozwala na funkcjonowanie organizmu na bardzo złożonym poziomie (różnicowanie komórek w tkanki i organy) u organizmów eukariotycznych.

Genom człowieka składa się od pięćdziesięciu tysięcy do stu tysięcy genów, ma długość ok. trzech miliardów par zasad. Materiał genetyczny jest upakowany w postaci dwudziestu trzech chromosomów. Każdy chromosom to dwuniciowa cząsteczka DNA zawierająca od pięćdziesięciu pięciu milionów do dwustu pięćdziesięciu milionów par zasad. W genomie zaledwie dwadzieścia pięć procent stanowią geny i ich sekwencje reszta to DNA pozagenowy. Nie wiadomo jaką funkcję pełni DNA pozagenowe.

Chromosomy

Są to struktury komórkowe tworzące się w czasie podziału komórkowego. W chromosomach znajduje się materiał genetyczny (geny). Ilość chromosomów jest zależna od gatunku. Człowiek posiada czterdzieści sześć chromosomów ułożonych w dwadzieścia trzy pary, a np. muszka owocowa ma cztery pary chromosomów (osiem pojedynczych). Kompletny zestaw chromosomów charakterystyczny dla danego gatunku nazywa się kariotypem (ideogram - graficzna prezentacja garnituru chromosomów).

W skład chromosomów wchodzą białka i kwasy nukleinowe, które współdziałając ze sobą tworzą chromatynę. Wyróżnia się dwa rodzaje chromatyny:

  • Euchromatyna - aktywna genetycznie
  • Heterochromatyna - chromosomy nieaktywne.

Przechodzenie chromatyny w chromosomy (stan chromosomalny) i histony jest charakterystyczny tylko dla DNA w jądrze komórkowym.

Ułożenie nukleotydów w DNA - sekwencje

Sekwencje te możemy podzielić na trzy grupy:

  • Sekwencje unikalne - to takie, które występują tylko raz w całym genomie. Sekwencje te są szczególnie liczne w materiale genetycznym wirusów i bakterii. W tych drugich to aż 99,7%. U człowieka stanowią one 70%, u myszy 60%, u ropuchy 55%, a u ślimaka mniej niż połowę - 40%.
  • Sekwencje średnio często powtarzalne - występują pomiędzy sekwencjami unikalnymi w całym genomie.
  • Sekwencje często powtarzalne - w heterochromatynie (w pobliżu centromerów), w DNA satelitarnym i na końcach chromosomów.
  • Sekwencje powtórzeniowe - mogą być rozproszone lub tworzyć tandemowe bloki:
    • Duże tandemy w DNA satelitarnym; w homologicznych sekwencjach (w czterech frakcjach) umożliwiających rozróżnienie chromosomów.
    • Małe tandemy jako minisatelity lub rozproszone; wykorzystywane np. w ustalaniu ojcostwa.
    • Mikrosatelity- sekwencje rozproszone po genie jako proste tandemy; mogą być od jedno- do pięcionukleotydowych, wykorzystywane przy tworzeniu map genów i w diagnostyce molekularnej.

Geny

Niosą informację genetyczną zapisaną w formie eksonów, między którymi występują niekodujące introny. Niektóre geny zgrupowane są w rodziny i zawierają liczne kopie genów o takiej samej lub podobnej sekwencji. Kopie te nie są jedynie charakterystyczne dla Eucaryota. U bakterii E. coli występuje siedem genów kodujących rRNA (w celu szybkiej syntezy rybosomów). Gdyby za tą syntezę odpowiedzialny był tylko jeden gen zachodziłaby ona zbyt wolno, aby zapewnić prawidłowy wzrost komórki. U ssaków występuje kilkaset genów dla rRNA. Kopie genów są tu także wykorzystywane do innych syntez.

W genomie występują również niefunkcjonalne geny (pseudogeny), które nie spełniają swych funkcji z powodu mutacji - nie przeprowadzają wtedy syntezy danych białek lub też nie ulegają ekspresji z powodu utraty fragmentów kodujących (delecje), mogą być również pozbawione promotorów lub regulatorów. Ilość pseudogenów jest cechą zależną od gatunku, jest różna dla różnych genów. Jest ich bardzo dużo u ssaków.

U Eucaryota sekwencja genowa może pojawić się raz lub może wchodzić w skład rodziny sekwencji powtórzonych. Do takiej rodziny należą z kolei geny funkcjonalne (blisko spokrewnione lub ulegające ekspresji w różnych komórkach, tkankach i na różnych etap rozwoju) lub pseudogeny, albo geny funkcjonalne i pseudogeny jednocześnie. Są zlokalizowane w tym samym miejscu genomu lub rozproszone po różnych chromosomach.

Rodziny wielokrotnych sekwencji zostały odkryte dzięki metodom biochemicznym, a potwierdzone dzięki klonowaniu molekularnemu i sekwencjonowaniu. Powtórzenia liczone w setkach tysięcy i milionach, stanowią od 10% do 50% całego genomu. Pojedyncze powtórzenie liczy dwie do kilku tysięcy par zasad. Powtórzenia podobnie jak geny występują po sobie lub są rozproszone w różnych obszarach chromosomu.

Lokalizacja niektórych sekwencji pokrywa się z charakterystycznymi obszarami chromosomów. Są to: centromery, telomery i organizatory jąderek (tu powtórzenia genów dla rRNA).

Sekwencje na telomerach są podobne u Eucaryota. Telomery są strukturami na końcach nici DNA chromosomalnego. Liczba krótkich powtórzeń następujących po sobie jest różna. U ludzi mają np. postać: 5'-CCCTAACCCTAACCCTAA... 3'-GGGATTGGGATTGGGATT... .

Powtórzenia na telomerach są dodawane do nowych cząsteczek DNA na ich końce (odpowiada za to specjalny enzym). Umożliwia to komórce odróżnienie prawdziwych telomerów od tylko pękniętych chromosomów.

Ekspresja genów - pierwszy etap

Pierwszym etapem ekspresji genów jest proces transkrypcji. Polega on na wytworzeniu (syntezie) RNA, gdzie matrycą jest DNA. W procesie biorą udział polimerazy RNA.

U organizmów prokariotycznych transkrypcja składa się z trzech etapów:

  • Inicjacji - proces zaczyna się w ściśle określonym miejscu - na początku genu. Przed sekwencją genu podlegającego transkrypcji znajduje się promotor, który jest sygnałem do rozpoczęcia procesu. Do promotora przyłączają się polimerazy RNA. Gdy enzym zwiąże się z promotorem powstanie zamknięty kompleks promotorowy. Następnie tworzy się otwarty kompleks promotorowy (dwuniciowa helisa dysocjuje). Utworzy się wiązanie fosfodiestrowe i rozpocznie się właściwy proces.
  • Elongacji - tu polimeraza rozplątuje dwuniciową cząsteczkę DNA przemieszczając się wzdłuż. Nowe nukleotydy dołączane są do końca 3' tworzonego łańcucha RNA (matrycę stanowi DNA). Jako pierwsza transkrypcji podlega sekwencja liderowa, a następnie sekwencja genu. Transkrypcja kończy się w momencie dojścia do sekwencji niekodującej na drugim końcu sekwencji kodującej.
  • Terminacji - ten etap również zachodzi w określonych miejscach (za sekwencją kodującą). Tworzy się struktura zwana spinką lub nasada- pętla. Są one sygnałem terminacji. Transkrypt i polimeraza RNA oddzielają się od matrycy.

U eukariontów transkrypcja przebiega podobnie. Tu jednak inicjacja jest bardziej złożona, w czasie terminacji nie tworzy się spinka. Za proces odpowiedzialne są trzy enzymy: polimeraza RNA I, II i III. Każda z nich odpowiada za inny zbiór genów i działa inaczej.

Utworzone RNA jest odpowiedzialne za biosyntezę białka - sekwencja tego białka jest określona przez sekwencje zasad w RNA.

Translacja

Proces ten jest zbliżony u prokariontów i eukariontów. Można tu wydzielić trzy etapy:

  • Inicjację - na tym etapie mRNA wiąże się z rybosomem
  • Elongację - tu dodawane są kolejne aminokwasy do łańcucha polipeptydów
  • Terminację - tu łańcuch polipeptydowy jest uwalniany.

Replikacja DNA

Replikacja to proces kopiowania. Jest ona semikonserwatywna tzn. że z jednej cząsteczki powstają dwie nowe i każda zawiera jedną starą i jedną nową nić. Gwarantuje to ciągłość powstawania kwasu. Aby proces replikacji mógł zajść niezbędna jest obecność określonych enzymów. W czasie replikacji tworzone są widełki replikacyjne, na których zachodzi kopiowanie.

Replikacja składa się z kilku etapów:

  • Rozplecienie helisy - konieczny jest enzym helikaza. Rozdzielanie rozpoczyna się w miejscu - ori i kieruje się dalej w obu kierunkach wzdłuż cząsteczki. Miejsce rozplecenia helisy i syntezy nowego DNA nazywa się widełkami replikacyjnymi. Po rozdzieleniu zostaje dołączone specjalne białko do jednoniciowego DNA, co zapobiega ponownemu powstaniu dwu nici.
  • Synteza nici: wiodącej i opóźnionej - nić wiodąca jest kopiowana ciągle a nić opóźniona nieciągle - fragmentami (fragmenty okazaki).
  • Inicjacja replikacji - do zapoczątkowania procesu potrzebny jest enzym prymasa, to on jest odpowiedzialny za syntezę startera RNA na nici opóźnionej, tworzy się krótki dwuniciowy odcinek. U E. coli synteza kończy się gdy polimeraza DNA napotka kolejny starter RNA, niepotrzebny starter jest zastępowany przez DNA. U Eucaryota etap wygląda nieco inaczej.
  • Ligacja - to końcowy etap syntezy, fragmenty Okazaki nici opóźnionej są łączone w całość przy udziale enzymu ligazy.

Zmienność organizmów

Można wyróżnić trzy główne rodzaje zmienności: fluktuacyjną - nie jest ona dziedziczona, powstaje w wyniku współdziałania czynników środowiskowych i genotypu organizmu; rekombinacyjną - powstaje w wyniku przetasowania (rekombinacji) genów np. w procesie crossing - over, jest przekazywana organizmom potomnym; mutacyjną - zmiana nagła, przypadkowa np. w genach, chromosomach.

Mutacje

Mutacje powstają w czasie replikacji (błędy w czasie tego procesu), mogą być też wywołane czynnikami mutagennymi (czynniki fizyczne i chemiczne). Część mutacji ma charakter letalny - prowadzi do śmierci komórki. Część mutacji jest naprawiana zanim zdążą wywołać zmiany, za naprawę są odpowiedzialne różne geny i kodony, zapewniają pewną stałość sekwencji nukleotydów w DNA.

Mutacje są konieczne do zachodzenia zmienności przekazywanej kolejnym pokoleniom i w ten sposób zapewniają ciągłość ewolucji.

Duże znaczenie w zachodzeniu zmian w kwasie dezoksyrybonukleinowym mają także transpozony, czyli ruchome fragmenty genetyczne odkryte dopiero w latach pięćdziesiątych dwudziestego wieku. Zmiana położenia transpozonów może powodować delecje, inwersje, duplikacje na znacznym obszarze. W ich wyniku geny tracą pewne funkcje lub przeciwnie ich ekspresja nasila się. Te zmiany nie mają jeszcze charakteru trwałego i mogą zostać naprawione, inaczej doprowadzą do mutacji w kolejnych replikacjach.

Z pokolenia na pokolenie będą przekazywane zamiany jednej zasady na inną w helisie (mają przeważnie charakter punktowy) oraz delecje zasad lub dodanie dodatkowej pary (inercja). Delecje dotyczące długich ciągów nukleotydów będą powodować zaprzestanie ekspresji danych genów. Mutacje punktowe często nie hamują syntezy określonego białka.

Mutacje zachodzą losowo i nie mają określonego kierunku, są zmianą skokową, mogą być dziedziczone. Dotyczą obszarów różnej wielkości. Jeśli rozważać ich zasięg można wydzielić następujące typy mutacji:

  1. Genowe (punktowe) - polega przeważnie na zmianie jednej pary nukleotydów lub nieco dłuższej, dotyczą krótszych odcinków niż gen. Nie są wykrywalne pod mikroskopem. Te dzielą się na:
    • Wynikające z substytucji, czyli zastąpienia właściwej zasady inną (puryna jest zastępowana puryną, a pirymidyna pirymidyną). Ramka odczytu nie przesuwa się, mutacja dotyczy tylko tej jednej zmiany. Wśród tej grupy mamy do czynienia z mutacjami milczącymi, nonsensownymi, mutacjami zmiany sensu. W tych pierwszych sekwencja nie zmienia się, gdy mutacja przypada np. na trzecią literę kodonu. Mutacje nonsensowne zachodzą, gdy zmianie ulegnie taka zasada, która zmieni cały kodon w kodon stop. Zostaje zahamowana translacja DNA. W mutacjach zmiany sensu kodon będzie kodował inny aminokwas. Dotyczą one zwłaszcza jednej z dwóch pierwszych zasad tripletu. Np. w kodonie AUC U zostanie zamienione na G, jednak wpływ na białko może być niewielki lub przeciwnie może powstać nowe białko mające niekorzystny wpływ na organizm.
    • Wynikające z delecji lub insercji - tu zmianie ulega ramka odczytu w wyniku wycięcia lub wstawienia dodatkowego nukleotydu. Informacja będzie źle odczytywana aż do samego końca. Wywołuje to różne niepożądane skutki (powstaje bezużyteczne białko, gdyż chociaż zachodzi synteza peptydu to są przyłączane niewłaściwe aminokwasy lub też synteza zostanie przerwana przez kodon stop w niewłaściwym miejscu i łańcuch będzie zbyt krótki, by pełnić jakiekolwiek funkcje).
  1. Chromosomowe (abberacje) - mutacji podlega pojedynczy chromosom, zachodzą na odcinku większym od jednego genu, ale mniejszym od chromosomu. Te dzielą się na:
  • Wewnątrzchromosomowe - dotyczą pojedynczego chromosomu; deficjencja (utrata części chromosomu), duplikacja (podwojenie części chromosomu) lub inwersja (odwrócenie odcinka chromosomu).
  • Międzychromosomowe - translokacja, czyli przemieszczenie części chromosomu na inny niehomologiczny.
  1. Genomowe - zmianie ulega liczba chromosomów, można je zaobserwować pod mikroskopem analizując cały kariotyp. W wyniku tych zmian powstają różne mutanty:
  • Autoploidy - mutacje dotyczą genomu jednego gatunku; powstają aneuploidy (zmianie ulega ilość pojedynczych chromosomów, w czasie podziału mejotycznego chromosomy homologiczne nie rozchodzą się - nondysjunkcja), monosomiki (o kariotypie (2n-1) - z pary chromosomów homologicznych w zygocie jest tylko jeden), trisomiki (o kariotypie 2n+1 - są trzy chromosomy zamiast dwóch).
  • Alloploidy - powstają w wyniku zmieszania się genomów różnych gatunków, nie będą tu powstawały żywotne gamety, ponieważ nie występują chromosomy homologiczne i nie zajdzie koniugacja.

Prawa mutacji według H. de Vries'a.

De Vries jako pierwszy użył terminu "mutacja". Było to w 1901 roku. Na podstawie badań nad powstawaniem nowych drobnych gatunków zostały sformułowane prawa mutacji:

  • Nowe gatunki powstają bez form przejściowych, nagle.
  • Nowe gatunki są ustalone od momentu powstania.
  • Nowe formy nie mają cech odmian (różnice dotyczą pojedynczej cechy w stosunku do formy wyjściowej), ale nowych drobnych gatunków.
  • W tym samym czasie pojawia się pewna liczba osobników tego samego drobnego gatunku.
  • Mutacje nie mają określonego kierunku, dotyczą niemal wszystkich organów.

Powstawanie mutacji

Mutacje powstają w różny sposób:

  1. Samorzutnie - nie oddziałują tu żadnego czynniki fizyczne czy chemiczne. Częstość takich mutacji jest mała i zachodzą na dwa sposoby:
    • Oddziaływanie przypadkowe bliżej nieokreślonych czynników wewnątrz- lub zewnątrzkomórkowych na proces replikacji
    • Błędy w procesie replikacji zgodnie z prawami statystyki (w każdym procesie zachodzą błędy, różny jest tylko ich odsetek) - źle funkcjonujące polimerazy DNA, brak enzymów naprawczych.
  1. Są indukowane przez czynniki fizyczne lub chemiczne, zachodzą w warunkach naturalnych jak i sztucznych. Do czynników mutagennych fizycznych należą:
  • Promieniowanie: jonizujące, rentgenowskie, gamma - pod wpływem niesionej energii cząsteczka DNA ulega uszkodzeniu (rozerwaniu)
  • Promieniowanie ultrafioletowe - powoduje powstanie np. dimerów tymidynowych między zasadami pirymidynowymi, uniemożliwiając odczyt zapisanych sekwencji. UV jest szczególnie niebezpieczne dla skóry człowieka i zewnętrznych powłok małych organizmów.
  • Wysoka temperatura - wpływa na działanie enzymów.

Do czynników fizycznych należą:

  • Kwas azotowy (III) - adenina jest zamieniana w hipoksantynę, która działa jak guanina, zamiast pary adenina - tymina powstaje guanina - cytozyna.
  • Analogi zasad azotowych - bromouracyl - następują błędy w odczycie przez polimerazy i są wstawiane nieprawidłowe nukleotydy.
  • Iperyt - zmienia zasady azotowe.
  • Barwniki akrydynowe - wchodzą między nukleotydy, czego skutkiem jest utrata lub powstawanie nowych nukleotydów.
  • Nadtlenek wodoru i amoniak - mogą wchodzić w reakcje z cząsteczkami DNA ze względu na swą dużą aktywność chemiczną.
  • Kolchicyna - zaburza rozchodzenie się chromosomów przez blokowanie powstania wrzeciona kariokinetycznego.
  • Wybrane węglowodory i ich pochodne np. benzopiren.

Siła działania mutagenów zależy od różnych czynników takich, jak wilgotność, temperatura, dostępność tlenu, wieku komórki (jej stanu fizjologicznego), skutecznej selekcji.

Naprawa szkód wyrządzonych przez promieniowanie ultrafioletowe u bakterii E. coli polega na:

  • Fotoreaktywacji - dzięki enzymowi fotolizie możliwe jest odtworzenie struktury DNA, enzym ten używa pochłanianą energię świetlną do rozerwania wiązań kowalencyjnych w dimerach tymidynowych.
  • Wycinaniu dimerów i innych uszkodzeń na odcinku od dwudziestu do trzydziestu nukleotydów (jednak drugie pasmo DNA nie może być uszkodzone). Naprawa zachodzi dzięki enzymowi endonukleazie, która nacina nić w pobliżu miejsca uszkodzenia. Kolejny enzym usuwa uszkodzone fragmenty, a w ich miejsce wstawiane nowe nukleotydy. Wykorzystywana jest druga nieuszkodzona nić jako matryca. Ligaza łączy wszystkie odcinki w całość.

Częstotliwość mutacji

Mutacje są zjawiskiem zachodzącym bardzo wolno, szczególnie u organizmów niższego szczebla. Częstość mutacji rośnie pod wpływem czynników mutagennych (fizycznych i chemicznych). Częstość mutacji mała, ale wywołane przez nie zmiany niosą często poważne zagrożenia. Drobne szkody są naprawiane natychmiast po procesie replikacji przez odpowiednie polimerazy.

Błędy w replikacji - promutageny

Powstają w wyniku nieprawidłowego funkcjonowania polimeraz DNA. Mogą być przyczyną mutacji, jeśli nie są w porę naprawione przez właściwe kompleksy enzymatyczne.

Korzystne i niekorzystne skutki mutacji

Do skutków korzystnych zalicza się te które zwiększają dostosowanie organizmu. Występują stosunkowo rzadko. Niekorzystne mogą mieć skutek śmiertelny (letalny) lub też ograniczają dostosowanie organizmu, w razie pogorszenia warunków bytowych organizm nie ma szans przeżycia (warunkowo letalne) - występują najczęściej. Istnieją także mutacje neutralne, które nie zmieniają dostosowania osobników - są ważne z punktu widzenia ewolucji.

Czynniki mutagenne środowiskowe

Dzielą się na naturalne i powstające w wyniku działalności przemysłowej. Są możliwie do wykrycia, dzięki różnym testom na mutacje indukowane. Przykładem może tu być test mikrobiologiczny Amesa (ocenia się mutagenność lub kancerogenność danej substancji). Testy takie mogą być również przeprowadzone na organizmach (lub wybranych komórkach) zwierzęcych.

Mutacje pokarmowe (auksotroficzne)

Zmianom ulegają geny odpowiedzialne za produkcję enzymów niezbędnych do przeprowadzenia procesów metabolicznych w organizmie. Organizm nie jest zdolny do syntezy np. któregoś z aminokwasów. Organizmy hodowane na pożywkach nie mogą się prawidłowo rozwijać, dopiero dodanie do nich brakującego składnika pozwala na ich dalszy rozwój.

Genetyka według Mendla

Grzegorz Mendel -czeski zakonnik, jest uważany za prekursora genetyki. W dziewiętnastym wieku prowadził eksperymenty na groszku pachnącym i dostarczył dowodów na istnienie czynników dziedzicznych (genów). Podstawowe pojęcia z zakresu gentyki mendlowskiej:

  • Genotyp - zespół wszystkich genów i ich kombinacji w danym organizmie.
  • Fenotyp - to cechy zewnętrzne dziedziczne kształtowane przez genotyp i czynniki środowiskowe.
  • Linia czysta - osobniki o takim samym fenotypie krzyżowane ze sobą, ich fenotyp się nie zmienia.
  • Dominacja - cecha która ujawni się w fenotypie potomstwa jest cechą dominującą.
  • Recesywność - cecha, która istnieje, ale nie ujawnia się w fenotypie potomstwa jest cechą recesywną.

Mendel w swoich badaniach używał linii czystych. Mendel skrzyżował ze sobą dwie linie czyste: kwiaty czerwone i kwiaty białe. W wyniku tej krzyżówki w pierwszym pokoleniu otrzymał tylko kwiaty czerwone. Z tego wynika, że była to cecha dominująca. W drugim pokoleniu (krzyżował kwiaty z pokolenia pierwszego) otrzymał kwiaty czerwone i białe. Ich stosunek był bliski 3:1 (czerwone do białych). To znaczy, że cecha recesywna, jaką była tu biała barwa ujawniał się w drugim pokoleniu. Mendel stwierdził, że są za to odpowiedzialne pewne czynniki dziedziczne, co stanowiło wówczas rewolucyjny pogląd.

Dziś wiadomo, że krzyżowane kwiaty białe miały genotyp aa - były homozygotami, a kwiaty czerwone to także homozygoty, ale dominujące o genotypie AA. W pierwszym pokoleniu otrzymano heterozygoty Aa o kwiatach czerwonych. W drugim pokoleniu otrzymano dwie heterozygoty Aa - fenotypy dominujące (kwiaty czerwone) i dwie homozygoty: AA - dominująca (kwiaty czerwone) i aa - recesywna (kwiaty białe) zatem stosunek genotypów wyniósł: 1:2:1 (AA, Aa, aa).

Mendel prowadził także badania nad dwoma cechami (krzyżówki dwucechowe). Podwójnie recesywną homozygotę krzyżował z podwójnie dominującą homozygotą. Krzyżował nasiona gładkie i pofałdowane oraz żółte i zielone.

A - nasiona gładkie

a - nasiona pofałdowane

B - nasiona żółte

b - nasiona zielone

krzyżował ze sobą AABB i aabb. W pierwszym pokoleniu otrzymał wszystkie nasiona AaBb (gładkie i żółte). Krzyżując ze sobą pierwsze pokolenie (AaBb x AaBb) otrzymał:

  • Nasiona gładkie i żółte o genotypach AABB (1), AABb (2), AaBB (2), AaBb (4)
  • Gładkie i zielone AAbb (1), Aabb (2)
  • Pofałdowane i żółte aaBB (1), aaBb (2)
  • Pofałdowane i zielone aabb (1).

Stosunek genotypów wyniósł 9:3:3:1.

Obserwacje Mendla zostały ujęte w dwa prawa:

Pierwsze prawo Mendla mówi, że do jednej gamety przechodzi tylko jeden allel z danego genu, allele tego samego genu wzajemnie się wykluczają (prawo czystości gamet)

Drugie prawo Mendla - allele dwóch różnych genów przechodzą do gamet niezależnie od siebie.

Dziedziczenie sprzężone z płcią u ssaków

U samic występują dwa chromosomy X, u samców jeden chromosom X i jeden chromosom Y - to decyduje, że geny leżące na tych chromosomach będą dziedziczone w określony sposób, niezgodny z genetyką mendlowską. Cechy leżące na chromosomach płciowych są cechami sprzężonymi z płcią.

Samice, które są heterozygotami, u nich allele recesywne nie ujawniają. Rozważmy to na przykładzie daltonizmu u ludzi. Choroba ta jest wywoływana przez gen recesywny zlokalizowany na chromosomie X. Aby u kobiety wystąpił daltonizm musiałaby być homozygotą pod względem tego genu, co jest bardzo rzadkie. Jeśli jest heterozygotą to choroba u niej nie wystąpi, będzie jedynie nosicielką. Jeśli natomiast u mężczyzny na chromosomie X znajdzie się allel recesywny to ujawni się. Mężczyzna dziedziczy ten gen jedynie od matki. Mężczyzna przekazuje ten gen dalej jedynie córkom (gdyż synowie dziedziczą chromosom Y). jeśli córka odziedziczy gen recesywny od ojca i gen dominujący od matki to nie zachoruje, ale może przekazywać gen recesywny swojemu potomstwu - średnio połowie swoich synów. Jeśli ojciec jest daltonistką a matka nosicielką to połowa córek może odziedziczyć daltonizm.

Inną chorobą sprzężoną z płcią jest hemofilia i dystrofia mięśniowa.

U samic ssaków zachodzi proces inaktywacji chromosomu X, który utrudnia dziedziczenie sprzężone z płcią. U nosicielek tylko połowa komórek z allelem recesywnym ulegnie ekspresji.

Bakteriofagi

Fag Lambda

Należy do fagów odpowiedzialnych za transdukcje, czyli przenoszenie informacji genetycznej jednej bakterii do drugiej przy udziale bakteriofaga. Należy do fagów łagodnych, czyli takich które nie zawsze skutkują śmiercią komórkową po namnożeniu. Może wchodzić w skład chromosomu bakteryjnego i replikować się razem z nim. Fag, który znajdzie się w takim chromosomie nazywa się profagiem. Jeśli profag odzieli się od materiału genetycznego bakterii, np. w skutek działania promieni UV lub rentgenowskich, wtedy zostaje zapoczątkowany cykl lityczny kończący się śmiercią komórki.

Genom faga lambda

DNA faga występuje w dwóch postać: jako kuliste lub liniowe. W bakteriach może być kuliste lub liniowe, natomiast w wirusach tylko liniowe.

Przejście od postaci liniowej do kolistej zachodzi dzięki enzymom. To one umożliwiają pęknięcie obu nici (+ i - ). Pęknięcia są zlokalizowane blisko siebie, ale nie w tym samym miejscu. Liniowe DNA ma wówczas dwa końce z jednych nici, które są komplementarne. Mówimy o lepkich końcach, które umożliwiają właśnie zmianę postaci liniowej na kulistą i na odwrót. Mają one długość do dwunastu nukleotydów. Warunkiem jest powstanie wiązań wodorowych pomiędzy końcami komplementarnymi.

DNA w formie kolistej jest charakterystyczne dla fazy litycznej, natomiast liniowe dla fazy lizogenicznej.

Cykl lityczny faga - cząstki faga dołączają się do białka receptorowego na powierzchni komórki, następuje wstrzyknięcie DNA faga do komórki gospodarza. Zostaje zatrzymana synteza DNA, RNA i białek danej komórki a rozpoczyna się transkrypcja genów faga. Ma miejsce rozbicie DNA gospodarza i wykorzystanie wolnych nukleotydów do replikacji DNA faga. Gdy powstaną białka kapsydu, powstają nowe cząsteczki faga. Komórka gospodarza ulega lizie, a nowe fagi są uwalniane.

Cykl lizogeniczny fagalambda - u tego faga występuje częściej niż szlak lityczny. Po wejściu do komórki gospodarza następuje cyrkularyzacja DNA faga, DNA łączy się z chromosomem gospodarza. Integracja ta zachodzi zawsze w określonym miejscu, od tej pory fag nazywa się profagiem. Jest on replikowany w nienaruszonej formie przez wiele pokoleń z chromosomem gospodarza. Cykl lityczny jest uruchamiany po dużej ilości podziałów komórkowych pod wpływem bodźców fizycznych lub chemicznych. Bodźce te uszkadzają DNA i prowadzą do śmierci komórki. Zachodzi proces odwrócenia rekombinacji i fag jest wycinany z chromosomu. Geny faga ulegają ekspresji i zaczyna być produkowane białko kapsydu. Następuje replikacja DNA faga, jest otaczany kapsydem. Komórka ulega lizie a nowe fagi zostają uwolnione.

Różnica między cyklem litycznym a lizogenicznym polega na tym, że w tym pierwszym komórka gospodarza ulega lizie w bardzo krótkim czasie od infekcji (w lizogenicznym poprzedza ją okres uśpienia).

Operon laktozowy - regulacja ekspresji genów

W komórce bakteryjnej istnieją mechanizmy sterujące biosyntezą białek tych, które są konieczne tylko w danej chwili. Komórka taka musi często zmieniać substraty pokarmowe, ale nie może syntetyzować wszystkich niezbędnych enzymów do ich rozkładu ze względu na zbyt duży koszt energetyczny.

Takim układem regulacyjnym u bakterii jest operon. Jego działanie polega na relacji między białkiem regulatorowym a daną sekwencją nukleotydów, czyli opeatorem. Inaczej ujmując operon to zespół genów podlegających kontroli tego samego systemu regulacji, mają jeden promotor i ulegają transkrypcji jako pojedynczy mRNA.

Działanie operonu laktozowego u Escherichia coli:

W skład tego operonu wchodzą trzy geny, które są odpowiedzialne za przyswajanie laktozy przez komórkę. Są to geny permeazy laktozowej: lacZ, Y i A. Dzięki operonowi możliwe jest utrzymywanie niskiej koncentracji enzymów przy braku laktozy oraz gwałtowny wzrost koncentracji w momencie pojawienia się cukru (do pięciu procent masy wszystkich białek w komórce). Ekspresja wyżej wymienionych genów podlega regulacji niezależnego genu lacI (koduje białko - represor lac). Przyłączenie laktozy do represora obniża jego możliwość łączenia z operatorem. W tym momencie represor nie blokuje już operatora i jest możliwe przyłączenie polimerazy RNA do promotora.

Represor jest syntetyzowany niezależnie od obecności laktozy. Jeśli cukier nie występuje, to represor zapobiega przyłączeniu polimerazy RNA i transkrypcja nie rozpocznie się. Jeśli laktoza jest obecna, to struktura represora zmienia się i może zajść synteza mRNA (zapis informacji o enzymach lacZ, Y i A). Po wykorzystaniu całej laktozy represor łączy się z operatorem i sytuacja wraca do punktu wyjścia.

Jeśli w środowisku obok laktozy występuje glukoza (jest łatwiej przyswajalna),wówczas operon laktozowy nie jest indukowany. Mówimy wówczas o represji glukozowej lub ogólnie katabolicznej.

Teorię operonu laktozowego opracowali Francis Jacobs i Jaques Mord, za swoje odkrycie dostali Nagrodę Nobla.

Operon laktozowy jest operonem indukowanym - jest blokowany i uaktywniany w określonych sytuacjach.

Mutacje represora w operonie laktozowym:

Uszkodzeniu może ulec DNA, wówczas zachodzą zmiany w sekwencji nukleotydów. Błędnie może również działać polimeraza. Mutacje represora wiążą się z mutacjami genu regulatora (to on wytwarza represor). Gen regulatorowy podlega różnym mutacjom:

  • Zahamowana jest synteza represora. Następuje konstytutywna synteza enzymów z braku represora, który mógłby się połączyć z operatorem.
  • Mutacje superrepresjonujące - represor odznacza się bardzo dużym powinowactwem do operatora, w momencie pojawienia się laktozy represor nie oddzieli się od operatora i nie zajdzie synteza enzymów. Mutacja ta ma charakter dominujący.
  • Wytwarzany represor nie jest aktywny, zachodzi konstytutywna synteza enzymów.
  • Jest tworzone kilka represorów w wyniku mutacji promotora, zachodzi synteza indukowana.

Mutacje genów strukturalnych w operonie laktozowym:

Każdy z genów lacZ, lacY i lacA są odpowiedzialne za syntezę innego enzymu. Możliwe zmiany:

  • Z-Y+A+ - Y i A są aktywne, ale nie zachodzi rozkład laktozy na galaktozę i glukozę.
  • Z-Y-A+ - nie ma w komórkach laktozy, brak rozkładu.
  • Z-Y-A- - nie zachodzi żaden proces.
  • Z+Y-A+ - zachodzi rozkład, ale laktoza nie jest dostarczana do komórki.
  • Z+Y-A- - zachodzi podział, ale nie jest dalej przetwarzana galaktoza.

Wynika z tego, aby mogły zajść wszystkie przemiany konieczne jest prawidłowe działanie wszystkich genów. Jeśli brakuje lacZ (permeaza), to aktywność Y (beta - galaktozydaza) i A (transacetylaza galaktozydowa) i tak nie ma znaczenia dla procesu. Jeśli nie działa lacY wówczas jest mniej laktozy i zostanie szybciej rozłożona. Natomiast brak lacA uniemożliwia rozkład galaktozy.

Mutacje odcinków regulatorowych operonu laktozowego:

Również promotor i operator podlegają mutacjom, chociaż nie ulegają transkrypcji. Pod wpływem mutacji operatora, represor nie jest dołączany do niego i zachodzi ciągła synteza enzymów. Jeśli mutacjom podlega promotor, to synteza enzymów zachodzi z różną wydajnością i różna jest wydajność transkrypcji.

Represja kataboliczna

Jest to keliny mechanizm regulacji, dzięki któremu operon laktozowy reaguje na obecność cukru glukozy. W pierwszej kolejności jest rozkładana glukoza, gdyż na ten proces potrzeba mniej energii. Wówczas operon jest wyłączany przez represję kataboliczną. Najważniejszą rolę odgrywa tu białko CAP (aktywator kataboliczny), które wiąże się z DNA (nad promotorem lac) i zwiększa transkrypcję operonu. Wiązanie DNA i CAP jest możliwe tylko przy obecności cAMP. Jeśli w komórce jest glukoza to poziom cAMP jest niski i CAP nie łączy się z DNA nad promotorem lac. Jeśli glukozy jest słabo dostępna rośnie poziom cAMP i CAP-cAMP wiąże się z DNA nad promotorem i rośnie transkrypcja operonu. Gdy w komórce wyczerpie się glukoza, to represja kataboliczna jest przerywana i operon jest wydajnie transkrybowany (jest przetwarzana laktoza).

Dziedziczenie cytoplazmatyczne

Odnosi się do genów, które są położone w mitochondriach i chloroplastach, inaczej nazywane jest pozajądrowym.

To dziedzicznie nie podlega zasadom dziedziczenia mendlowskiego. DNA w komórkach eukariotycznych poza jądrem występuje przede wszystkim w mitochondriach i chloroplastach (DNA mitochondrialne i chloroplastowe).

Jeśli w wyniku krzyżowania odwrotnego dwóch fenotypów rodziców powstaną mieszańce o innych fenotypach to jest prawdopodobne, że zadziałały tu czynniki pozajądrowe. U roślin można w ten sposób dowieść dziedziczenia cech podlegających genom zlokalizowanym w DNA chloroplastowym.

Analizuje się dziedziczenie w pokoleniach osobników heteroplazmatycznych. Cechy warunkowane czynnikami pozajądrowymi nie segregują się w czasie podziałów mejotycznych, a w czasie podziałów mitotycznych (odwrotnie do genów zlokalizowanych w jądrze).

Znaczna część gatunków glonów, bakterii czy wirusów, które dostały się do komórek zwierzęcych (roślinnych) często są chorobotwórcze, ale nie zawsze muszą wywoływać objawy choroby. Nadają komórkom gospodarza nowe cechy. Mogą być przekazywane następnym generacjom i cechy te będą dziedziczone pozajądrowo.

Rodzaje dziedziczenia pozajądrowego:

  • Mitochondrialne - DNA mitochondrialne podlega różnym mutacjom, dzięki którym możliwa jest analiza tego dziedziczenia. Bardzo dobrym przykładem są tu drożdże, które wyłączają oddychanie i czerpią energię z procesów fermentacji. Powstają mutanty mitochondrialne niezdolne do oddychania. DNA mitochondrialne w heteroplazmonach może ulegać rekombinacji, co dało podstawę do tworzenia map genów w cząsteczka DNA mitochondrialnego. W organizmach nie prowadzących fermentacji istnieją mutanty, które uodporniły się na różne antybiotyki i są dziedziczone mitochondrialnie.
  • Chloroplastowe - zmiany w chloroplastach mogą być wynikiem mutacji w materiale jądrowym, dziedziczony według prostych zasad mendlowskich lub też zmiany dotyczą DNA chloroplastowego i są dziedziczone pozajądrowo.

W genomie mitochondrialnym kodowane są trzy rodzaje rRNA, cząsteczki tRNA (większe), podjednostki cytochromu i jednostka ATPazy. W genomie chloroplastowym kodowane są trzy - cztery rRNA.

Rekombinacja homologiczna w plazmonie

Proces rekombinacji polega na łączeniu dwóch form rodzicielskich, w wyniku którego powstaje potomstwo mieszańców o nowych kombinacjach. Natomiast rekombinacja polega na nowych kombinacjach cech sprzężonych, czyli znajdujących się na chromosomach homologicznych, przez wymianę odcinków pomiędzy dwoma chromosomami homologicznych. Każdy chromosom pochodzi od innego rodzica.

Chromosomy są strukturami komórkowymi na których zlokalizowane są geny. U eukariontów materiał genetyczny ma postać kilku lub kilkunastu chromosomów składających się z chromatyny i histonów. U prokariontów materiał gentyczny tworzy pojedyncza nieosłonięta cząsteczka DNA. Miejsce lokalizacji genu na chromosomie to jego locus. W chromosomie wyróżnia się ramię krótkie i długie, centromer i telomery.

Chromosomy o takiej samej wielkości i kształcie niosące zbliżoną informację genetyczną nazywa się homologicznymi.

Chromosomy mogą być autosomami (odpowiedzialne za cechy niesprzężone z płcią) lub allosomami (charakterystyczne dla jednej płci).

U Drosophila melanogaster występują cztery pary chromosomów, u myszy dwadzieścia, a u człowieka dwadzieścia trzy.

Autosomy są charakterystyczne dla danego gatunku. Jeśli chodzi o allosomy, to możliwe jest posiadanie dwóch chromosomów płciowych przez jedną płeć np. XX, a płeć przeciwna posiada autosomy i pojedynczą kopię chromosomu płciowego - jeden X.

Jeśli komórka posiada pełny garnitur chromosomów to mówimy, że jest diploidalna. Jeśli garnitur ten jest pojedynczy to jest wtedy haploidalna.

Gatunki, które rozmnażają bezpłciowo posiadają w swoich komórkach identyczną liczbę chromosomów. Gatunki u których rozmnażanie jest płciowe posiadają komórki haploidalne i diploidalne.

U większości kręgowców komórki somatyczne są diploidalne a gamety, czyli komórki płciowe są haploidalne.

U kręgowców komórki haploidalne powstają w procesie zwanym mejozą. Komórki somatyczne dzielą się w czasie mitozy. Zanim jednak do niej dojdzie materiał genetyczny podwaja się.

U roślin ma miejsce przemiana pokoleń - następuje po sobie pokolenie haploidalne i diploidalne.

U błonkówek istnieje jeszcze inne rozwiązanie - samce są haploidalne a samice diploidalne.

Człowiek posiada dwadzieścia dwie pary chromosomów autosomalnych i jedną parę chromosomów płciowych.

Chromosomy podlegają mutacjom, w wyniku których może dochodzić do różnych zaburzeń i chorób.

Plazmidy

Kwas nukleinowy, który jest w stanie sam się powielać (replikować) nazywa się plazmidem. Plazmidy są koliste i występują w komórkach bakteryjnych. Są wektorami do klonowania. W plazmidach wyróżnia się episomy, czyli takie które rekombinują z DNA jądrowym i są włączane do genomu (w całości lub częściowo). Plazmidy są charakterystyczne dla cytoplazmy prokariontów. W komórce mogą występować jednocześnie różne rodzaje plazmidów, pod warunkiem, że wszystkie są jądrowe. Jeśli pozostają do siebie w sprzeczności to nie mogą istnieć w tej samej komórce. Ich namnażanie nie jest zależne od podziałów komórki.

Sterylność cytoplazmatyczna

U kukurydzy występuje zjawisko przekazywania bezpłodności w linii męskiej (pyłek) przez cytoplazmę matczyną. Cytoplazma wraz z genem recesywnym - mm (w jądrze komórkowym). Rośliny o normalnej cytoplazmie (N) produkują żywotny pyłek, a zmienionej cytoplazmie (S) są bezpłodne w linii męskiej. Gen dominujący (M) powoduje występowanie normalnej cytoplazmy.

Rośliny częściowo bezpłodne to takie, których bezpłodny pyłek zawiązuje nasiona, pewien procent roślin produkuje pojedyncze pylniki z żywotnym pyłkiem.

Zagadnieniem męskiej sterylności zajmował się Jones, który w 1925 roku wykrył zmutowane cebule, w których pylniki nie wytwarzały pyłku. Roślina nie wykazywała innych różnic. Męska sterylność występuje w przypadku cytoplazmy S i genu recesywnego mm. Przy cytoplazmie N powstają normalne kwiaty, bez względu czy gen jest M czy m.

Odmiany sterylności:

Genetyczna - nie powstaje pyłek

Funkcjonalna - organy męskie funkcjonują tylko pod pewnymi warunkami (np. musi się otworzyć kwiat).

Agrobacterium tumefaciens

To bakteria, która atakuje rośliny przekazując im swoje geny przy pomocy plazmidu Ti. Jest patogenem żyjącym w glebie. Agrobacterium tumefaciens powoduje guzowatość rośliny a Agrobacterium rhizogenes przerost korzeni. Bakterie te należą do rodziny Rhizobiaceae. Są bakteriami gram ujemnymi.

Ich plazmidy są duże, u A. tumefaciens jest to plazmid Ti, a u A. rhizogenes Ri. Są zdolne do przekazywania części tego plazmidu jako T - DNA do genomu rośliny. Odcinek ten odpowiada za syntezę związków koniecznych bakterii do życia, czyli tak zwanych opin. Wyróżnia się trzy klasy opin:

Oktopina i pochodne (lizopina i histopina), kopalina z pochodnymi (kwas nopalinowy i agrocypina) oraz agropina.

Bakteria ta może atakować rośliny 643 gatunków należące do 331 rodzajów. Podatność rośliny na infekcje zależy od jej gatunku i atakowanego organu. Roślinny jednoliścienne są bardziej odporne.

Transformacja

Za guzowatość roślin dwuliściennych i części jednoliściennych odpowiada plazmid Ti Agrobacterium tumefaciens. Część tego plazmidu jest przekazywana komórce roślinnej i łączy się z jej genomem. Geny plazmidu ulegają ekspresji. Wbudowywany fragment nazywa się T - DNA. Aby na roślinie wytworzył się guz potrzebny jest T - DNA i region vir z plazmidu Ti. Jeśli w obszarze T - DNA dojdzie do mutacji to wpłyną one na morfologię guza, natomiast jeśli mutacje dotyczą regionu vir to zaburzone będzie tworzenie guza. W T - DNA znajdują się geny odpowiedzialne za syntezę fitohormonów takich jak: auksyny, cytokininy, kwas indolilooctowy. Jeśli są tworzone w nadmiarze to zostaje podwyższone tempo podziałów komórkowych, nie dochodzi do różnicowania i powstaje guz. Część genów w T - DNA odpowiada za produkcję aminokwasów i opin, a także ich dostarczanie do komórek rośliny. Opiny w guzie stanowią źródło węgla i azotu dla bakterii.

Region vir jest konieczny do przeniesienia T - DNA. Region ten wykazuje aktywność nawet w innym replikonie.

Można manipulować plazmidem, który jest wprowadzany do komórek roślinnych. Odbywa się to przez klonowanie i prowadzenie zmian do DNA E. coli oraz przez bezpośrednie wprowadzenie do Agrobacterium.

Plazmid Ti

W tym kolistym dużym plazmidzie znajdują się geny odpowiedzialne za wirulencję, katabolizm i syntezę opin charakterystycznych dla danego szczepu, syntezę określonych hormonów roślinnych.

Geny biosyntezy opin i hormonów są zlokalizowane na terenie T -DNA, natomiast geny wirulencji i katabolizmu opin występują razem poza T - DNA.

Obszar T - DNA wyznaczają sekwencje graniczne, czyli sekwencje DNA złożone z powtórzeń o długości dwudziestu pięciu par zasad. Prawa sekwencja graniczna (RB) jest konieczna do rozpoznania i przeniesienia T - DNA. Lewa sekwencja (LB) wpływa na efektywność tego procesu.

Istnieją różne rodzaje plazmidu Ti. Najlepiej opisanymi są plazmidy nopalinowe i oktopinowe. T - DNA w tych plazmidach ma różną budowę.

Przeniesienie T - DNA i jego włączenie

Przeniesienie nici T następuje w wyniku działania układu DNA - białko. Konieczne są geny vir (na plazmidzie) i geny chromosomalne. Z białko z końca T - DNA oddziałuje z DNA rośliny. Nacina je i możliwe jest przyłączenie T - DNA do DNA rośliny (łączą się pojedyncze nici), druga nić DNA roślinnego jest rozrywana pod wpływem napięć torsyjnych. W drodze ligacji końce nici T zostają połączone z końcami DNA rośliny, jest dobudowywana druga nić do nici T (nić komplementarna). W regionie naprawy i replikacji odcinków integracji zachodzą często duplikacje i rearanżacje.

Geny w T - DNA posiadają sekwencje eukariotyczne odpowiedzialne z a proces transkrypcji: TATA - box i CAAT - box oraz sygnały poliadenylacji (charakterystyczne dla roślin). Niektóre z tych sekwencji odpowiadają za regulację genów - markerów.

Opiny nie mogą być katalizowane przez inne organizmy glebowe poza Agrobacterium. W ten sposób bakteria ta znalazła swoją niszę ekologiczną - modyfikuje genetycznie komórki roślinne. Jest to proces gentycznej kolonizacji.

Transformacja roślin - zmiana ich fenotypu przez wprowadzenie obcego DNA

Tworzenie roślin transgenicznych polega na wprowadzeniu obcego im DNA do ich tkanek i zregenerowaniu takiej rośliny. Metody przekształcania roślin dzielą się na:

  • Pośrednie (z udziałem Agrobacterium tumefaciens lub Agrobacterium rhizogenes)
  • Bezpośrednie - elektorporacja, mikroiniekcja, PEG.

Nowotwory u człowieka

Nazwa ta jest używana zarówno do określenia nowotworu złośliwego, jak i łagodnego. W obu przypadkach tworzy się jednak guz (proces nowo tworzenia tkanki). W czasie prawidłowego funkcjonowania organizmu mamy do czynienia z kontrolowanym podziałem komórkowym i zastępowaniem starych obumarłych komórek nowymi. Ma tu miejsce pełna kontrola procesu. W momencie, gdy komórki zaczynają się dzielić niekontrolowanie mamy do czynienia z nowotworem. Materiał genetyczny zdrowej komórki podlega mutacjom i nie może ona przeprowadzać podziałów w prawidłowy sposób. Jeśli organizm jest zdrowy to jego układ immunologiczny może wykryć takie komórki i zareagować przez ich usunięcie, aby nie mogły się dalej namnażać. Jeśli jednak układ immunologiczny w porę nie wykryje zmutowanych komórek to dzielą się one dalej.

Nie wszystkie nowotwory są złośliwe. Nie można także każdego nowotworu złośliwego nazywać rakiem, ale każdy rak to nowotwór złośliwy. Prawidłowo "rak" to nowotwór złośliwy biorący swój początek w tkance nabłonkowej. Rak to najbardziej znana postać z występujących nowotworów. W Polsce stanowi dziewięćdziesiąt wszystkich nowotworów.

Nowotwory mogą się rozwinąć niemal w każdym organie. Jest ponad sto różnych odmian:

Rak skóry, płuc, trzustki, piersi.

Białaczka - nowotwór krwi.

Mięsak - kości, mięśni, chrząstki, tkanki tłuszczowej.

Chłoniak - nowotwór układu limfatycznego.

Nowotwory łagodne nie stanowią bezpośredniego zagrożenia dla życia. Nowotwór złośliwy jest ciężko uleczalny, szybko się namnaża, powodując przerzuty (przez naczynia limfatyczne i krwionośne) i wykazuje tendencję do nawrotów. Nowotwór, który nie ma jeszcze przerzutów jest możliwy do usunięcia, w momencie gdy zaatakuje ważne narządy jego operacyjne usunięcie jest niemożliwe i przeważnie skutkuje śmiercią pacjenta.

Nowotwory powstają z własnych tkanek organizmu, które rozrastają się nadmiernie w stosunku do tkanek przyległych. Wyeliminowanie czynnika wywołującego nie hamuje namnażania się komórek nowotworowych. Aby nowotwór się rozwijał potrzebuje żywego organizmu.

Nowotwory nie powstają w jakimś określonym przedziale wiekowym (mogą już atakować płód), jednak prawdopodobieństwo ich wystąpienia rośnie w pewnych grupach wiekowych.

W zdrowej tkance istnieje równowaga między komórkami powstającymi, różnicującymi się a obumierającymi. Nawet jeśli te proporcje zostaną chwilowo zburzone przez jakiś czynnik to podlegają one ścisłej kontroli. Nadmierne namnażanie ustąpi po wyeliminowaniu czynnika sprawczego. W przypadku nowotworu namnażanie (proliferencja) przeważa nad różnicowaniem (jest hamowane) i obumieraniem. Tkanka ciągle powiększa swoje rozmiary, ale jest mało zróżnicowana funkcjonalnie. Zużywa bardzo dużo energii i składników odżywczych, a pobiera je kosztem innych tkanek organizmu. Mówi się o autonomii tkanki nowotworowej (mimo, że rozwija się w danym organizmie to prowadzi własną gospodarkę i procesy).

Istnieją dwie główne teorie próbujące wyjaśnić powstawanie nowotworów (teoria genetyczna i epigenetyczna). Komórki nowotworowe mogą teoretycznie rozwinąć się z każdej komórki która jest zdolna do prawidłowych podziałów. Mechanizm przejścia od komórki zdrowej do chorej nie jest do końca poznany.

Istnieją pewne przesłanki, że nowotwory powstają za sprawą uszkodzonych genów, mianowicie:

  • Heteroploidia, czyli niedokładna mitoza w komórkach nowotworowych, zmianie ulega liczba chromosomów w komórkach guza.
  • Rearanżacje strukturalne w chromosomach guza, niektóre o określonym kierunku.
  • Większość mutagenów jest karcenogenna.
  • Dziedziczenie niektórych form nowotworów w rodzinie.

Są rodziny wykazujące tzw. predyspozycje do chorób nowotworowych (np. rak piersi). Ryzyko wystąpienia nowotworu wzrasta, gdy komórki somatyczne posiadają tylko jeden zmutowany allel, drugi normalny jest nieaktywny. U człowieka takim genem predyspozycji jest ten odpowiedzialny za raka piersi i jajnika (leży na chromosomie siedemnastym).

Osoby dotknięte nowotworem przekazują swoje geny połowie potomstwa, są przekazywane jak autosomalne allele dominujące, mimo że są recesywne.

Choroby genetyczne

Wśród chorób genetycznych można wyróżnić trzy rodzaje. Są to: zaburzenia jednogenowe, chromosomowe i wieloczynnikowe.

W tym pierwszym u chorego występuje tylko jeden zmutowany gen. Taki gen działa w ten sposób, że hamowana jest synteza białka lub też białko jest produkowane, ale nie działa prawidłowo. Takie mutacje mogą być przekazywane z pokolenia na pokolenie lub też powstają samoistnie w komórkach rozrodczych i zostają przekazane dziecku.

W zaburzeniach chromosomowych zmianie ulega struktura chromosomów lub ich liczba (utrata lub dodanie nowego chromosomu). Większość tych zaburzeń powstaje samoistnie w komórkach rozrodczych. Utrata lub dodanie chromosomu prowadzi do powstania aneuploidów, natomiast wielokrotne kopie dają - poliploidy.

Zaburzenia wieloczynnikowe są spowodowane przez kilka genów (ich współdziałanie) oraz działanie między genami a czynnikami środowiska. W wyniku tych zaburzeń powstaje cukrzyca i choroba wieńcowa.

Choroby wywołane defektem jednego genu:

  • Hemofilia (A i B) - jej dziedziczenie jest sprzężone z chromosomem X, powoduje anormalne krwawienie.
  • Dystrofia mięśniowa (Duchenne'a i Beckera) - dziedziczenie sprzężone z chromosomem X, zanik mięśni.
  • Choroba Huntingtona - dziedziczenie autosomalne dominujące, demencja.
  • Talasemia - dziedziczenie autosomalne recesywne, anemia.
  • Anemia sierpowata - dziedziczenie autosomalne recesywne, niedokrwistość.
  • Fenuloketonuria - dziedziczenie autosomalne recesywne, nie jest metabolizowana fenyloalanina.
  • Mukowiscydoza - dziedziczenie autosomalne recesywne, objawy to między innymi uszkodzenie płuc.
  • Nerwiakowłókniakowatość - dziedziczenie autosomalne recesywne, nowotwór.

Zmiany jednego genu powodują różne skutki w zależności od funkcji jakie spełnia dany gen i mutacji jaka zaszła. Niektóre z wyżej wymienionych chorób są uleczalne (ich objawy) np. hemofilia, a inne nie (choroba Huntingtona - powoduje przedwczesną śmierć). Te zaburzenia nie są częste. W przybliżeniu występują od 0,001 do 5 przypadków na tysiąc żywych urodzeń. Znaczenie ma tu także obszar zamieszkania. Mukowiscydoza jest częstsza w Europie Północnej, a anemia sierpowata jest charakterystyczna dla Afryki, talasemia z kolei w Azji.

Mutacje jakie prowadzą do zaburzeń jednogenowych mają różny charakter - mutacje punktowe (mutacje sensu, nonsensowne, fazy odczytu, promotora) i duże mutacje (delecje, insercje, rearanżacje).

Terapia genowa

Obecnie prowadzi się badania nad możliwością zastąpienia wadliwie działającego genu jego czynną kopią. Dotyczy to komórek somatycznych. Prawidłowo działające geny są izolowane i wprowadzane do komórek chorego. Nie zawsze powodują cofnięcie choroby, ale łagodzą jej objawy. Podstawowym problemem jest brak odpowiednich wektorów przenoszących prawidłowe geny do komórek. Terapia może polegać na prowadzaniu genów prosto do organizmu pacjenta, aby znalazły komórkę docelową albo przez wyizolowanie odpowiednich komórek ich ponowne wprowadzenie. Często wektorami są wirusy pozbawione swoich ujemnych funkcji.