Genetik - Genetics

Genetik er en gren af biologi, der beskæftiger sig med studiet af gener , genetisk variation og arvelighed i organismer .

Selvom arvelighed var blevet observeret i årtusinder, Gregor Mendel , Moravian videnskabsmand og augustinske munk arbejder i det 19. århundrede i Brno , var den første til at studere genetik videnskabeligt. Mendel studerede "trækarv", mønstre i den måde, egenskaber overføres fra forældre til afkom over tid. Han observerede, at organismer (ærteplanter) arver træk ved hjælp af diskrete "arveenheder". Dette udtryk, der stadig bruges i dag, er en lidt tvetydig definition af det, der omtales som et gen.

Egenskabsarv og molekylære arvsmekanismer for gener er stadig primære genetiske principper i det 21. århundrede, men moderne genetik er udvidet ud over arv til at studere geners funktion og adfærd. Genstruktur og funktion, variation og distribution undersøges inden for cellens kontekst , organismen (f.eks. Dominans ) og inden for en befolknings kontekst. Genetik har givet anledning til en række underområder, herunder molekylær genetik , epigenetik og populationsgenetik . Organismer undersøgt inden for det brede felt spænder over livets områder ( archaea , bakterier og eukarya ).

Genetiske processer fungerer i kombination med en organismes miljø og oplevelser for at påvirke udvikling og adfærd , ofte omtalt som natur versus pleje . Det intracellulære eller ekstracellulære miljø i en levende celle eller organisme kan slå gentranskription til eller fra. Et klassisk eksempel er to frø af genetisk identisk majs, et placeret i et tempereret klima og et i et tørt klima (mangler tilstrækkeligt vandfald eller regn). Selvom gennemsnitshøjden for de to majsstængler kan være genetisk bestemt til at være ens, vokser den i det tørre klima kun til halvdelen af ​​højden af ​​den i det tempererede klima på grund af mangel på vand og næringsstoffer i dens miljø.

Etymologi

Ordet genetik stammer fra det gamle græske γενετικός genetikos, der betyder "genitiv"/"generativ", hvilket igen stammer fra γένεσις genesis, der betyder "oprindelse".

Historie

Observationen af, at levende ting arver træk fra deres forældre, har været brugt siden forhistorisk tid til at forbedre afgrødeplanter og dyr gennem selektiv avl . Den moderne genetikvidenskab, der søgte at forstå denne proces, begyndte med arbejdet fra den augustinske munter Gregor Mendel i midten af ​​1800-tallet.

Før Mendel var Imre Festetics , en ungarsk adelsmand, der boede i Kőszeg før Mendel, den første, der brugte ordet "genetik". Han beskrev flere regler for genetisk arv i sit arbejde Den genetiske naturlov (Die genetische Gesätze der Natur, 1819). Hans anden lov er den samme som hvad Mendel udgav. I sin tredje lov udviklede han de grundlæggende principper for mutation (han kan betragtes som en forløber for Hugo de Vries ).

Blanding af arv fører til gennemsnittet af alle egenskaber, hvilket, som ingeniøren Fleeming Jenkin påpegede, gør evolution ved naturlig selektion umulig.

Andre teorier om arv gik forud for Mendels arbejde. En populær teori i løbet af 1800 -tallet, og underforstået af Charles Darwins 1859 om arternes oprindelse , blandede arv : ideen om, at individer arver en jævn blanding af træk fra deres forældre. Mendels arbejde gav eksempler, hvor træk bestemt ikke blev blandet efter hybridisering, hvilket viste, at egenskaber frembringes ved kombinationer af forskellige gener frem for en kontinuerlig blanding. Blanding af træk i afkommet forklares nu ved hjælp af flere gener med kvantitative effekter . En anden teori, der havde en vis støtte på det tidspunkt, var arv af erhvervede egenskaber : troen på, at individer arver træk styrket af deres forældre. Denne teori (ofte forbundet med Jean-Baptiste Lamarck ) er nu kendt for at være forkert-erfaringer fra individer ikke påvirker generne, de videre til deres børn, Andre teorier omfattede pangenesis af Charles Darwin (som var både erhvervet og nedarvede aspekter) og Francis Galtons reformulering af pangenesis som både partikelformig og arvelig.

Mendelsk og klassisk genetik

Morgans observation af kønskædet arv af en mutation, der forårsagede hvide øjne i Drosophila, førte ham til hypotesen om, at gener er placeret på kromosomer.

Moderne genetik startede med Mendels undersøgelser af arven ved planter. I sit papir " Versuche über Pflanzenhybriden " (" Eksperimenter med plantehybridisering "), der blev præsenteret i 1865 for Naturforschender Verein (Society for Research in Nature) i Brünn , sporede Mendel arvsmønstre af visse træk i ærteplanter og beskrev dem matematisk. Selvom dette arvsmønster kun kunne observeres for nogle få træk, foreslog Mendels arbejde, at arvelighed var partikulær, ikke erhvervet, og at arvsmønstre for mange træk kunne forklares ved hjælp af enkle regler og forhold.

Betydningen af ​​Mendels arbejde fik ikke bred forståelse før i 1900, efter hans død, da Hugo de Vries og andre forskere genopdagede hans forskning. William Bateson , en forkæmper for Mendels arbejde, opfandt ordet genetik i 1905 (adjektivet genetisk , afledt af det græske ord genesis —γένεσις, “oprindelse”, går forud for substantivet og blev først brugt i biologisk forstand i 1860). Bateson fungerede både som mentor og blev hjulpet betydeligt af andre forskere fra Newnham College i Cambridge, især Becky Saunders , Nora Darwin Barlow og Muriel Wheldale Onslow . Bateson populariserede brugen af ​​ordet genetik til at beskrive undersøgelsen af ​​arv i sin indledende tale til den tredje internationale konference om plantehybridisering i London i 1906.

Efter genopdagelsen af ​​Mendels arbejde forsøgte forskere at bestemme, hvilke molekyler i cellen der var ansvarlige for arv. I 1900 begyndte Nettie Stevens at studere melormen. I løbet af de næste 11 år opdagede hun, at hunner kun havde X -kromosomet, og mænd havde både X- og Y -kromosomer. Hun kunne konkludere, at køn er en kromosomal faktor og bestemmes af hannen. I 1911 argumenterede Thomas Hunt Morgan for , at gener befinder sig på kromosomer , baseret på observationer af en kønsbundet hvidt øje mutation i frugtfluer . I 1913 brugte hans elev Alfred Sturtevant fænomenet genetisk kobling til at vise, at gener er arrangeret lineært på kromosomet.

Molekylær genetik

DNA , det molekylære grundlag for biologisk arv . Hver DNA -streng er en kæde af nukleotider , der matcher hinanden i midten for at danne, hvad der ligner trin på en snoet stige.

Selvom der var kendt for at eksistere gener på kromosomer, er kromosomer sammensat af både protein og DNA, og forskere vidste ikke, hvem af de to der er ansvarlig for arv. I 1928 opdagede Frederick Griffith fænomenet transformation (se Griffiths eksperiment ): døde bakterier kunne overføre genetisk materiale til at "transformere" andre stadig levende bakterier. Seksten år senere, i 1944, identificerede Avery – MacLeod – McCarty -eksperimentet DNA som molekylet, der er ansvarligt for transformation. Kernens rolle som opbevaringssted for genetisk information i eukaryoter var blevet fastslået af Hämmerling i 1943 i hans arbejde med encellede alger Acetabularia . The Hershey-Chase eksperiment i 1952 bekræftede, at DNA (snarere end protein) det genetiske materiale af de vira, der inficerer bakterier, som giver yderligere bevis for, at DNA er det molekyle ansvarlig for nedarvning.

James Watson og Francis Crick bestemte strukturen af ​​DNA i 1953 ved hjælp af røntgenkrystallografirbejde fra Rosalind Franklin og Maurice Wilkins, der angav, at DNA har en spiralformet struktur (dvs. formet som en proptrækker). Deres dobbelt-helix-model havde to DNA-strenge med nukleotiderne pegende indad, der hver matchede et komplementært nukleotid på den anden streng for at danne, hvad der ligner trin på en snoet stige. Denne struktur viste, at der findes genetisk information i sekvensen af ​​nukleotider på hver DNA -streng. Strukturen foreslog også en simpel metode til replikation : Hvis strengene adskilles, kan nye partnertråde rekonstrueres for hver baseret på sekvensen af ​​den gamle streng. Denne egenskab er det, der giver DNA dets semi-konservative karakter, hvor en streng af nyt DNA er fra en original forældrestreng.

Selvom DNA -strukturen viste, hvordan arv fungerer, var det stadig ikke kendt, hvordan DNA påvirker cellers adfærd. I de følgende år forsøgte forskere at forstå, hvordan DNA styrer processen med proteinproduktion . Det blev opdaget, at cellen bruger DNA som en skabelon til at skabe matchende messenger -RNA , molekyler med nukleotider, der meget ligner DNA. Nukleotidsekvensen af ​​et messenger -RNA bruges til at skabe en aminosyresekvens i protein; denne translation mellem nukleotidsekvenser og aminosyresekvenser er kendt som den genetiske kode .

Med den nyfundne molekylære forståelse af arv kom en eksplosion af forskning. En bemærkelsesværdig teori opstod fra Tomoko Ohta i 1973 med hendes ændring af den neutrale teori om molekylær evolution gennem offentliggørelse af den næsten neutrale teori om molekylær evolution . I denne teori understregede Ohta betydningen af ​​naturligt udvalg og miljøet for den hastighed, hvormed genetisk udvikling sker. En vigtig udvikling var kædetermineret DNA-sekventering i 1977 af Frederick Sanger . Denne teknologi gør det muligt for forskere at læse nukleotidsekvensen af ​​et DNA -molekyle. I 1983 udviklede Kary Banks Mullis polymerasekædereaktionen , hvilket gav en hurtig måde at isolere og forstærke et specifikt afsnit af DNA fra en blanding. Indsatsen fra Human Genome Project , Department of Energy, NIH og parallelle private bestræbelser fra Celera Genomics førte til sekventeringen af ​​det menneskelige genom i 2003.

Egenskaber ved arv

Diskret arv og Mendels love

En Punnett -firkant, der viser en krydsning mellem to ærteplanter heterozygote for lilla (B) og hvide (b) blomster.

På sit mest fundamentale niveau sker arv i organismer ved at overføre diskrete arvelige enheder, kaldet gener , fra forældre til afkom. Denne egenskab blev først observeret af Gregor Mendel , som studerede adskillelsen af ​​arvelige træk i ærteplanter . I sine eksperimenter, der studerede egenskaben for blomsterfarve, observerede Mendel, at blomsterne i hver ærteplante enten var lilla eller hvide - men aldrig et mellemliggende mellem de to farver. Disse forskellige, diskrete versioner af det samme gen kaldes alleler .

I tilfælde af ærten, som er en diploid art, har hver enkelt plante to kopier af hvert gen, en kopi arvet fra hver forælder. Mange arter, herunder mennesker, har dette arvsmønster. Diploide organismer med to kopier af den samme allel af et givet gen kaldes homozygote på det genlokus , mens organismer med to forskellige alleler af et givet gen kaldes heterozygote .

Sættet med alleler for en given organisme kaldes dens genotype , mens organismens observerbare træk kaldes dens fænotype . Når organismer er heterozygote ved et gen, kaldes den ene allel ofte dominerende, da dens kvaliteter dominerer fænotypen af ​​organismen, mens den anden allel kaldes recessiv, da dens kvaliteter trækker sig tilbage og ikke observeres. Nogle alleler har ikke fuldstændig dominans og har i stedet ufuldstændig dominans ved at udtrykke en mellemliggende fænotype eller kodominans ved at udtrykke begge alleler på én gang.

Når et par organismer formerer sig seksuelt , arver deres afkom tilfældigt en af ​​de to alleler fra hver forælder. Disse observationer af diskret arv og segregering af alleler er samlet kendt som Mendels første lov eller loven om adskillelse.

Notation og diagrammer

Genetiske stamtavleskemaer hjælper med at spore egenskabers arvsmønstre.

Genetikere bruger diagrammer og symboler til at beskrive arv. Et gen er repræsenteret med et eller et par bogstaver. Ofte bruges et "+" symbol til at markere den sædvanlige, ikke-mutante allel for et gen.

I befrugtnings- og avlseksperimenter (og især når man diskuterer Mendels love) omtales forældrene som "P" -generationen og afkommet som "F1" (første filial) generation. Når F1 -afkommet parrer sig med hinanden, kaldes afkommet "F2" (anden filial) generation. Et af de almindelige diagrammer, der bruges til at forudsige resultatet af krydsning, er Punnett-pladsen .

Når man studerer menneskelige genetiske sygdomme, bruger genetikere ofte stamtavlekort til at repræsentere arv af træk. Disse diagrammer kortlægger arv efter et træk i et slægtstræ.

Flere geninteraktioner

Menneskelig højde er et træk med komplekse genetiske årsager. Francis Galtons data fra 1889 viser forholdet mellem afkomshøjde som en funktion af middelværdi forælderhøjde.

Organismer har tusinder af gener, og i seksuelt reproducerende organismer sorterer disse gener generelt uafhængigt af hinanden. Dette betyder, at arv af en allel for gul eller grøn ærtefarve ikke er relateret til arv af alleler til hvide eller lilla blomster. Dette fænomen, kendt som " Mendels anden lov " eller "loven om uafhængigt sortiment", betyder, at alleler i forskellige gener blandes mellem forældre for at danne afkom med mange forskellige kombinationer. (Nogle gener sorterer ikke uafhængigt og demonstrerer genetisk kobling , et emne diskuteret senere i denne artikel.)

Ofte kan forskellige gener interagere på en måde, der påvirker det samme træk. I den blåøjede Mary ( Omphalodes verna ) eksisterer der for eksempel et gen med alleler, der bestemmer blomsterfarven: blå eller magenta. Et andet gen styrer imidlertid, om blomsterne overhovedet har farve eller er hvide. Når en plante har to kopier af denne hvide allel, er dens blomster hvide - uanset om det første gen har blå eller magenta alleler. Denne interaktion mellem gener kaldes epistase , med det andet gen epistatisk til det første.

Mange træk er ikke diskrete træk (f.eks. Lilla eller hvide blomster), men er i stedet kontinuerlige træk (f.eks. Menneskelig højde og hudfarve ). Disse komplekse træk er produkter af mange gener. Indflydelsen af ​​disse gener medieres i varierende grad af det miljø, en organisme har oplevet. I hvilken grad en organismes gener bidrager til et komplekst træk kaldes arvelighed . Måling af en egenskabs arvelighed er relativ - i et mere variabelt miljø har miljøet en større indflydelse på egenskabens samlede variation. For eksempel er menneskelig højde et træk med komplekse årsager. Det har en arvelighed på 89% i USA. I Nigeria, hvor folk oplever en mere variabel adgang til god ernæring og sundhedspleje , har højden imidlertid en arvelighed på kun 62%.

Molekylært grundlag for arv

DNA og kromosomer

Den molekylære struktur af DNA. Baser parres gennem arrangementet af hydrogenbinding mellem strengene.
DNA -sekvens

Det molekylære grundlag for gener er deoxyribonukleinsyre (DNA). DNA består af en kæde af nukleotider , hvoraf der er fire typer: adenin (A), cytosin (C), guanin (G) og thymin (T). Genetisk information findes i sekvensen af ​​disse nukleotider, og gener eksisterer som sekvensstrækninger langs DNA -kæden. Virus er den eneste undtagelse fra denne regel - nogle gange bruger vira det meget lignende molekyle RNA i stedet for DNA som deres genetiske materiale. Vira kan ikke reproducere sig uden en vært og er upåvirket af mange genetiske processer, så de betragtes ikke som levende organismer.

DNA eksisterer normalt som et dobbeltstrenget molekyle, viklet i form af en dobbelt helix . Hvert nukleotid i DNA parrer fortrinsvis med sit partnernukleotid på den modsatte streng: Et par med T og C par med G. Således indeholder hver streng i sin to-strengede form effektivt al nødvendig information, redundant med sin partnerstreng. Denne struktur af DNA er det fysiske grundlag for arv: DNA -replikation duplikerer den genetiske information ved at splitte strengene og bruge hver streng som en skabelon til syntese af en ny partnerstreng.

Gener er arrangeret lineært langs lange kæder af DNA-basepar-sekvenser. I bakterier indeholder hver celle normalt en enkelt cirkulær genofor , mens eukaryote organismer (såsom planter og dyr) har deres DNA arrangeret i flere lineære kromosomer. Disse DNA -tråde er ofte ekstremt lange; det største humane kromosom er for eksempel cirka 247 millioner basepar i længden. Kromosoms DNA er forbundet med strukturelle proteiner, der organiserer, komprimerer og kontrollerer adgangen til DNA'et og danner et materiale kaldet kromatin ; i eukaryoter består chromatin normalt af nukleosomer , segmenter af DNA, der vikles omkring kerner af histonproteiner . Det fulde sæt af arveligt materiale i en organisme (normalt de kombinerede DNA -sekvenser af alle kromosomer) kaldes genomet .

DNA findes oftest i cellens kerne, men Ruth Sager hjalp med opdagelsen af ​​ikke -kromosomale gener, der findes uden for kernen. I planter findes disse ofte i kloroplaster og i andre organismer i mitokondrierne. Disse ikke -kromosomale gener kan stadig videregives af begge parter i seksuel reproduktion, og de kontrollerer en række arvelige egenskaber, der replikerer og forbliver aktive gennem generationer.

Mens haploide organismer kun har en kopi af hvert kromosom, er de fleste dyr og mange planter diploide , der indeholder to af hvert kromosom og dermed to kopier af hvert gen. De to alleler for et gen er placeret på identiske loci af de to homologe kromosomer , hver allel arvet fra en anden forælder.

Walther Flemmings 1882 -diagram over eukaryote celledeling. Kromosomer kopieres, kondenseres og organiseres. Efterhånden som cellen deler sig, separeres kromosomkopier i dattercellerne.

Mange arter har såkaldte kønskromosomer, der bestemmer køn for hver organisme. Hos mennesker og mange andre dyr indeholder Y -kromosomet det gen, der udløser udviklingen af ​​de specifikt mandlige egenskaber. I evolutionen har dette kromosom mistet det meste af sit indhold og også de fleste af dets gener, mens X -kromosomet ligner de andre kromosomer og indeholder mange gener. Når det er sagt, opdagede Mary Frances Lyon, at der er inaktivering af X-kromosom under reproduktion for at undgå at videregive dobbelt så mange gener til afkommet. Lyons opdagelse førte til opdagelsen af ​​andre ting, herunder X-linkede sygdomme. X- og Y -kromosomerne danner et stærkt heterogent par.

Reproduktion

Når celler deler sig, kopieres deres fulde genom, og hver dattercelle arver en kopi. Denne proces, kaldet mitose , er den enkleste former for reproduktion og er grundlaget for aseksuel reproduktion . Aseksuel reproduktion kan også forekomme i flercellede organismer, der producerer afkom, der arver deres genom fra en enlig forælder. Afkom, der er genetisk identiske med deres forældre, kaldes kloner .

Eukaryote organismer bruger ofte seksuel reproduktion til at generere afkom, der indeholder en blanding af genetisk materiale arvet fra to forskellige forældre. Processen med seksuel reproduktion veksler mellem former, der indeholder enkeltkopier af genomet ( haploid ) og dobbeltkopier ( diploid ). Haploide celler smelter og kombinerer genetisk materiale for at skabe en diploid celle med parrede kromosomer. Diploide organismer danner haploider ved at dividere, uden at replikere deres DNA, for at skabe datterceller, der tilfældigt arver et af hvert kromosompar. De fleste dyr og mange planter er diploide i det meste af deres levetid, med den haploide form reduceret til enkeltcelle gameter såsom sæd eller æg .

Selvom de ikke anvender den haploide/diploide metode til seksuel reproduktion, har bakterier mange metoder til at erhverve ny genetisk information. Nogle bakterier kan undergå konjugering og overføre et lille cirkulært stykke DNA til en anden bakterie. Bakterier kan også optage rå DNA -fragmenter, der findes i miljøet, og integrere dem i deres genomer, et fænomen kendt som transformation . Disse processer resulterer i horisontal genoverførsel og transmitterer fragmenter af genetisk information mellem organismer, der ellers ikke ville være relaterede. Naturlig bakterietransformation forekommer i mange bakteriearter og kan betragtes som en seksuel proces til overførsel af DNA fra en celle til en anden celle (normalt af samme art). Transformation kræver handling af mange bakterielle genprodukter , og dets primære adaptive funktion ser ud til at være reparation af DNA -skader i modtagercellen.

Rekombination og genetisk kobling

Thomas Hunt Morgans illustration fra 1916 af en dobbelt crossover mellem kromosomer.

Kromosomers diploide karakter tillader gener på forskellige kromosomer at sortere uafhængigt eller adskilles fra deres homologe par under seksuel reproduktion, hvor haploide gameter dannes. På denne måde kan der opstå nye kombinationer af gener i afkomene til et parringspar. Gener på det samme kromosom ville teoretisk aldrig rekombinere. Det gør de imidlertid via den cellulære proces med kromosomisk crossover . Under crossover udveksler kromosomer strækninger af DNA, der effektivt blander genallelerne mellem kromosomerne. Denne proces med kromosomisk crossover forekommer generelt under meiose , en række celledelinger, der skaber haploide celler. Meiotisk rekombination , især i mikrobielle eukaryoter , ser ud til at tjene den adaptive funktion til reparation af DNA -skader.

Den første cytologiske demonstration af krydsning blev udført af Harriet Creighton og Barbara McClintock i 1931. Deres forskning og forsøg med majs gav cytologisk bevis for den genetiske teori om, at forbundne gener på parrede kromosomer faktisk udveksler steder fra den ene homolog til den anden.

Sandsynligheden for, at kromosomisk crossover forekommer mellem to givne punkter på kromosomet, er relateret til afstanden mellem punkterne. For en vilkårligt lang afstand er sandsynligheden for crossover høj nok til, at arven efter generne reelt er ukorreleret. For gener, der er tættere på hinanden, betyder den lavere sandsynlighed for crossover imidlertid, at generne demonstrerer genetisk binding ; alleler for de to gener har en tendens til at arves sammen. Mængderne af kobling mellem en række gener kan kombineres for at danne et lineært koblingskort, der groft beskriver beskrivelsen af ​​generne langs kromosomet.

Genudtryk

Genetisk kode

Den genetiske kode : Ved hjælp af en trillingskode angiver DNA gennem et messenger -RNA -mellemled et protein.

Gener udtrykker generelt deres funktionelle virkning gennem produktion af proteiner , som er komplekse molekyler, der er ansvarlige for de fleste funktioner i cellen. Proteiner består af en eller flere polypeptidkæder, som hver er sammensat af en sekvens af aminosyrer , og DNA -sekvensen af ​​et gen (gennem et RNA -mellemprodukt) bruges til at producere en specifik aminosyresekvens . Denne proces begynder med produktionen af ​​et RNA -molekyle med en sekvens, der matcher genets DNA -sekvens, en proces kaldet transkription .

Dette messenger -RNA -molekyle tjener derefter til at producere en tilsvarende aminosyresekvens gennem en proces kaldet translation . Hver gruppe på tre nukleotider i sekvensen, kaldet et codon , svarer enten til en af ​​de tyve mulige aminosyrer i et protein eller en instruktion om at afslutte aminosyresekvensen ; denne korrespondance kaldes den genetiske kode . Informationsstrømmen er ensrettet: information overføres fra nukleotidsekvenser til aminosyresekvensen af ​​proteiner, men den overføres aldrig fra protein tilbage til DNA -sekvensen - et fænomen Francis Crick kaldet molekylærbiologiens centrale dogme .

Den specifikke sekvens af aminosyrer resulterer i en unik tredimensionel struktur for dette protein, og de tredimensionelle strukturer af proteiner er relateret til deres funktioner. Nogle er simple strukturelle molekyler, ligesom de dannet af protein fibre kollagen . Proteiner kan binde til andre proteiner og simple molekyler, nogle gange fungere som enzymer ved at lette kemiske reaktioner inden for de bundne molekyler (uden at ændre strukturen af ​​selve proteinet). Proteinstruktur er dynamisk; proteinet hæmoglobin bøjer i lidt forskellige former som det letter opsamling, transport og frigivelse af oxygen molekyler i mammalt blod.

En enkelt nukleotidforskel i DNA kan forårsage en ændring i aminosyresekvensen af ​​et protein. Fordi proteinstrukturer er resultatet af deres aminosyresekvenser, kan nogle ændringer dramatisk ændre egenskaberne af et protein ved at destabilisere strukturen eller ændre overfladen af ​​proteinet på en måde, der ændrer dets interaktion med andre proteiner og molekyler. For eksempel er seglcelleanæmi en menneskelig genetisk sygdom, der skyldes en enkelt basisforskel inden for det kodende område for β-globinsektionen af ​​hæmoglobin, hvilket forårsager en enkelt aminosyreændring, der ændrer hæmoglobins fysiske egenskaber. Seglcelleversioner af hæmoglobin holder sig til sig selv og stabler for at danne fibre, der forvrænger formen af røde blodlegemer, der bærer proteinet. Disse seglformede celler flyder ikke længere glat gennem blodkar , har en tendens til at tilstoppe eller nedbrydes, hvilket forårsager de medicinske problemer forbundet med denne sygdom.

Nogle DNA-sekvenser transkriberes til RNA, men oversættes ikke til proteinprodukter-sådanne RNA-molekyler kaldes ikke-kodende RNA . I nogle tilfælde foldes disse produkter ind i strukturer, der er involveret i kritiske cellefunktioner (f.eks. Ribosomalt RNA og transfer -RNA ). RNA kan også have regulatoriske virkninger gennem hybridiseringsinteraktioner med andre RNA -molekyler (såsom mikroRNA ).

Natur og pleje

Siamesiske katte har en temperaturfølsom mutation i pigmentproduktion.

Selvom gener indeholder al den information, en organisme bruger til at fungere, spiller miljøet en vigtig rolle i bestemmelsen af ​​de ultimative fænotyper, en organisme viser. Udtrykket " natur og pleje " refererer til dette komplementære forhold. Fænotypen af ​​en organisme afhænger af samspillet mellem gener og miljøet. Et interessant eksempel er pelsfarven på den siamesiske kat . I dette tilfælde spiller kattens kropstemperatur miljøets rolle. Kattens gener koder for mørkt hår, og derfor producerer de hårproducerende celler i katten cellulære proteiner, hvilket resulterer i mørkt hår. Men disse mørke hårproducerende proteiner er følsomme over for temperatur (dvs. har en mutation, der forårsager temperaturfølsomhed) og denaturering i miljøer med højere temperatur, og undlader at producere mørkt hårpigment i områder, hvor katten har en højere kropstemperatur. I et miljø med lav temperatur er proteinets struktur imidlertid stabil og producerer normalt mørkt hårpigment. Proteinet forbliver funktionelt i hudområder, der er koldere - såsom ben, ører, hale og ansigt - så katten har mørkt hår i ekstremiteterne.

Miljø spiller en stor rolle i virkningerne af den menneskelige genetiske sygdom phenylketonuri . Mutationen, der forårsager phenylketonuri, forstyrrer kroppens evne til at nedbryde aminosyren phenylalanin og forårsager en giftig ophobning af et mellemliggende molekyle, der igen forårsager alvorlige symptomer på progressiv intellektuel funktionsnedsættelse og anfald. Men hvis nogen med phenylketonuri -mutationen følger en streng diæt, der undgår denne aminosyre, forbliver de normale og sunde.

En fælles metode til at bestemme, hvordan gener og miljø ("natur og pleje") bidrager til en fænotype, involverer at studere identiske og broderlige tvillinger eller andre søskende til flere fødsler . Identiske søskende er genetisk ens, da de kommer fra den samme zygote. I mellemtiden er broderlige tvillinger lige så genetisk forskellige fra hinanden som normale søskende. Ved at sammenligne, hvor ofte en bestemt lidelse forekommer i et par identiske tvillinger med, hvor ofte den forekommer hos et par tvillingebrødre, kan forskere afgøre, om denne lidelse skyldes genetiske eller postnatale miljøfaktorer. Et berømt eksempel involverede undersøgelsen af Genain -firdyrene , der var identiske firdyr alle diagnosticerede med skizofreni . Sådanne tests kan imidlertid ikke adskille genetiske faktorer fra miljøfaktorer, der påvirker fostrets udvikling.

Genregulering

Genomet for en given organisme indeholder tusindvis af gener, men ikke alle disse gener behøver at være aktive på et givet tidspunkt. Et gen udtrykkes, når det transskriberes til mRNA, og der findes mange cellulære metoder til at kontrollere ekspressionen af ​​gener, således at proteiner kun produceres, når cellen har brug for det. Transkriptionsfaktorer er regulatoriske proteiner, der binder til DNA, der enten fremmer eller hæmmer transskriptionen af ​​et gen. Inden for genomet af Escherichia coli -bakterier eksisterer der for eksempel en række gener, der er nødvendige for syntesen af ​​aminosyren tryptophan . Men når tryptophan allerede er tilgængelig for cellen, er disse gener til tryptophansyntese ikke længere nødvendige. Tilstedeværelsen af ​​tryptophan påvirker direkte genernes aktivitet - tryptophanmolekyler binder sig til tryptophan -repressoren (en transkriptionsfaktor) og ændrer repressorens struktur, så repressoren binder sig til generne. Tryptophan -repressoren blokerer transskriptionen og ekspressionen af ​​generne og skaber derved negativ feedback -regulering af tryptophansynteseprocessen.

Transkriptionsfaktorer binder til DNA, hvilket påvirker transkriptionen af ​​associerede gener.

Forskelle i genekspression er især tydelige inden for flercellede organismer , hvor celler alle indeholder det samme genom, men har meget forskellige strukturer og adfærd på grund af ekspressionen af ​​forskellige sæt gener. Alle cellerne i en multicellulær organisme stammer fra en enkelt celle og differentierer sig til forskellige celletyper som reaktion på eksterne og intercellulære signaler og gradvist etablerer forskellige mønstre af genekspression for at skabe forskellige adfærdsmåder. Da intet enkelt gen er ansvarlig for udviklingen af strukturer inden for flercellede organismer, stammer disse mønstre fra de komplekse interaktioner mellem mange celler.

Inden for eukaryoter findes der strukturelle træk ved kromatin, der påvirker transkriptionen af ​​gener, ofte i form af modifikationer af DNA og kromatin, der er stabilt nedarvet af datterceller. Disse funktioner kaldes " epigenetiske ", fordi de eksisterer "oven på" DNA -sekvensen og bevarer arv fra en cellegenerering til den næste. På grund af epigenetiske træk kan forskellige celletyper, der vokser inden for det samme medium, bevare meget forskellige egenskaber. Selvom epigenetiske træk generelt er dynamiske i løbet af udviklingen, har nogle, ligesom fænomenet paramutation , multigenerationel arv og eksisterer som sjældne undtagelser fra den generelle regel for DNA som grundlag for arv.

Genetisk ændring

Mutationer

Genduplikering muliggør diversificering ved at give redundans: et gen kan mutere og miste sin oprindelige funktion uden at skade organismen.

Under processen med DNA -replikation opstår der lejlighedsvis fejl i polymerisationen af ​​den anden streng. Disse fejl, kaldet mutationer , kan påvirke fænotypen af ​​en organisme, især hvis de forekommer inden for den proteinkodende sekvens af et gen. Fejlfrekvensen er normalt meget lav - 1 fejl i hver 10-100 millioner baser - på grund af DNA -polymerasers "korrekturlæsning" . Processer, der øger hastigheden af ​​ændringer i DNA kaldes mutagene : mutagene kemikalier fremmer fejl i DNA-replikation, ofte ved at forstyrre strukturen af ​​baseparring, mens UV-stråling inducerer mutationer ved at forårsage skade på DNA-strukturen. Kemisk skade på DNA forekommer også naturligt, og celler bruger DNA -reparationsmekanismer til at reparere uoverensstemmelser og pauser. Reparationen gendanner imidlertid ikke altid den originale sekvens. En særlig vigtig kilde til DNA -skader ser ud til at være reaktive iltarter, der produceres ved cellulær aerob respiration , og disse kan føre til mutationer.

Hos organismer, der bruger kromosomalt kryds og tværs til at udveksle DNA og rekombinere gener, kan fejl i tilpasning under meiose også forårsage mutationer. Fejl i crossover er især sandsynlige, når lignende sekvenser får partnerkromosomer til at vedtage en forkert justering; dette gør nogle regioner i genomer mere tilbøjelige til at mutere på denne måde. Disse fejl skaber store strukturelle ændringer i DNA -sekvens - duplikationer , inversioner , sletninger af hele regioner - eller utilsigtet udveksling af hele dele af sekvenser mellem forskellige kromosomer ( kromosomal translokation ).

Dette er et diagram, der viser mutationer i en RNA -sekvens. Figur (1) er en normal RNA -sekvens, der består af 4 kodoner. Figur (2) viser en missense, enkelt punkt, ikke -stille mutation. Figur (3 og 4) viser begge rammeskiftmutationer , hvorfor de er grupperet sammen. Figur 3 viser en sletning af det andet basepar i det andet kodon. Figur 4 viser en indsættelse i det tredje basepar af det andet kodon. Figur (5) viser en gentagen ekspansion, hvor et helt kodon er duplikeret.

Naturligt udvalg og evolution

Mutationer ændrer en organismes genotype, og lejlighedsvis får dette forskellige fænotyper til at dukke op. De fleste mutationer har ringe indflydelse på en organismes fænotype, sundhed eller reproduktive egnethed . Mutationer, der har en effekt, er normalt skadelige, men nogle gange kan nogle være gavnlige. Undersøgelser i fluen Drosophila melanogaster tyder på, at hvis en mutation ændrer et protein, der produceres af et gen, vil omkring 70 procent af disse mutationer være skadelige, mens resten er enten neutral eller svagt fordelagtig.

Et evolutionært træ af eukaryote organismer, konstrueret ved sammenligning af flere ortologe gensekvenser .

Befolkningsgenetik undersøger fordelingen af ​​genetiske forskelle inden for populationer, og hvordan disse fordelinger ændrer sig over tid. Ændringer i frekvensen af ​​en allel i en befolkning påvirkes hovedsageligt af naturlig selektion , hvor en given allel giver en selektiv eller reproduktiv fordel for organismen, såvel som andre faktorer som mutation , genetisk drift , genetisk blaffning , kunstig selektion og migration .

Over mange generationer kan organismernes genomer ændre sig betydeligt, hvilket resulterer i evolution . I processen kaldet tilpasning kan selektion for gavnlige mutationer få en art til at udvikle sig til former, der er bedre i stand til at overleve i deres miljø. Nye arter dannes gennem specieringsprocessen , ofte forårsaget af geografiske adskillelser, der forhindrer befolkninger i at udveksle gener med hinanden.

Ved at sammenligne homologien mellem forskellige arts genomer er det muligt at beregne den evolutionære afstand mellem dem, og hvornår de kan have divergeret . Genetiske sammenligninger betragtes generelt som en mere præcis metode til karakterisering af sammenhængen mellem arter end sammenligningen af ​​fænotypiske egenskaber. De evolutionære afstande mellem arter kan bruges til at danne evolutionære træer ; disse træer repræsenterer den almindelige afstamning og divergens af arter over tid, selvom de ikke viser overførsel af genetisk materiale mellem ikke -relaterede arter (kendt som horisontal genoverførsel og mest almindelig hos bakterier).

Modelorganismer

Den almindelige frugtflue ( Drosophila melanogaster ) er en populær modelorganisme inden for genetisk forskning.

Selvom genetikere oprindeligt studerede arv i en lang række organismer, begyndte forskere at specialisere sig i at studere genetikken for en bestemt undergruppe af organismer. Den kendsgerning, at der allerede eksisterede betydelig forskning for en given organisme, ville tilskynde nye forskere til at vælge den til yderligere undersøgelser, og til sidst blev et par modelorganismer grundlaget for de fleste genetiske undersøgelser. Almindelige forskningsemner inden for modelorganismegenetik omfatter undersøgelse af genregulering og inddragelse af gener i udvikling og kræft .

Organismer blev valgt dels for nemheds skyld - korte generationstider og let genetisk manipulation gjorde nogle organismer til populære genetiske forskningsværktøjer. Meget anvendte modelorganismer omfatter tarmbakterien Escherichia coli , planten Arabidopsis thaliana , bagergær ( Saccharomyces cerevisiae ), nematoden Caenorhabditis elegans , den almindelige frugtflue ( Drosophila melanogaster ) og almindelig husmus ( Mus musculus ).

Medicin

Skematisk sammenhæng mellem biokemi , genetik og molekylærbiologi .

Medicinsk genetik søger at forstå, hvordan genetisk variation relaterer sig til menneskers sundhed og sygdom. Når man søger efter et ukendt gen, der kan være involveret i en sygdom, bruger forskere sædvanligvis genetisk kobling og genetiske stamtavleskemaer til at finde placeringen på genomet, der er forbundet med sygdommen. På befolkningsniveau drager forskere fordel af Mendelsk randomisering til at lede efter steder i genomet, der er forbundet med sygdomme, en særlig nyttig metode til multigeniske træk, der ikke klart er defineret af et enkelt gen. Når først et kandidatgen er fundet, foretages ofte yderligere undersøgelser af de tilsvarende (eller homologe ) gener af modelorganismer. Ud over at studere genetiske sygdomme har den øgede tilgængelighed af genotypemetoder ført til området farmakogenetik : undersøgelsen af ​​hvordan genotype kan påvirke lægemiddelresponser.

Enkeltpersoner adskiller sig i deres arvelige tendens til at udvikle kræft , og kræft er en genetisk sygdom. Processen med kræftudvikling i kroppen er en kombination af begivenheder. Mutationer forekommer lejlighedsvis i celler i kroppen, når de deler sig. Selvom disse mutationer ikke vil blive arvet af nogen afkom, kan de påvirke cellers adfærd og nogle gange få dem til at vokse og dele sig oftere. Der er biologiske mekanismer, der forsøger at stoppe denne proces; signaler gives til uhensigtsmæssigt opdelende celler, der skulle udløse celledød , men nogle gange opstår der yderligere mutationer, der får celler til at ignorere disse meddelelser. En intern proces af naturlig udvælgelse forekommer i kroppen, og til sidst mutationer akkumulerer i celler for at fremme deres egen vækst, hvilket skaber en cancerøs tumor , der vokser og invaderer forskellige væv i kroppen.

Normalt deler en celle sig kun som reaktion på signaler kaldet vækstfaktorer og stopper med at vokse en gang i kontakt med omgivende celler og som reaktion på væksthæmmende signaler. Det deler sig normalt derefter et begrænset antal gange og dør og forbliver inden for epitelet, hvor det ikke er i stand til at migrere til andre organer. For at blive en kræftcelle skal en celle akkumulere mutationer i et antal gener (tre til syv). En kræftcelle kan dele sig uden vækstfaktor og ignorerer hæmmende signaler. Det er også udødeligt og kan vokse på ubestemt tid, selv efter at det kommer i kontakt med naboceller. Det kan flygte fra epitelet og i sidste ende fra den primære tumor . Derefter kan den undslupne celle krydse endotelet i et blodkar og blive transporteret af blodbanen for at kolonisere et nyt organ og danne dødelig metastase . Selvom der er nogle genetiske dispositioner i en lille brøkdel af kræftformer, skyldes hovedfraktionen et sæt nye genetiske mutationer, der oprindeligt dukker op og akkumuleres i en eller et lille antal celler, der vil dele sig for at danne tumoren og ikke overføres til afkommet ( somatiske mutationer ). De hyppigste mutationer er tab af funktion af p53 -protein , en tumorsuppressor eller i p53 -vejen, og forstærkning af funktionsmutationer i Ras -proteinerne eller i andre onkogener .

Forskningsmetoder

Kolonier af E. coli produceret ved cellulær kloning . En lignende metode bruges ofte i molekylær kloning .

DNA kan manipuleres i laboratoriet. Restriktionsenzymer er almindeligt anvendte enzymer, der skærer DNA ved specifikke sekvenser og producerer forudsigelige fragmenter af DNA. DNA -fragmenter kan visualiseres ved hjælp af gelelektroforese , som adskiller fragmenter efter deres længde.

Anvendelsen af ligeringsenzymer gør det muligt at forbinde DNA -fragmenter. Ved at binde ("ligerende") fragmenter af DNA sammen fra forskellige kilder kan forskere oprette rekombinant DNA , DNA'et, der ofte er forbundet med genetisk modificerede organismer . Rekombinant DNA bruges almindeligvis i forbindelse med plasmider : korte cirkulære DNA -molekyler med et par gener på. I processen kendt som molekylær kloning kan forskere forstærke DNA -fragmenterne ved at indsætte plasmider i bakterier og derefter dyrke dem på plader af agar (for at isolere kloner af bakterieceller - "kloning" kan også referere til de forskellige midler til at skabe klonet (" klonale ") organismer).

DNA kan også amplificeres ved hjælp af en procedure kaldet polymerasekædereaktionen (PCR). Ved at bruge specifikke korte sekvenser af DNA kan PCR isolere og eksponentielt amplificere en målrettet DNA -region. Fordi det kan amplificere sig fra ekstremt små mængder DNA, bruges PCR også ofte til at detektere tilstedeværelsen af ​​specifikke DNA -sekvenser.

DNA -sekventering og genomik

DNA -sekventering , en af ​​de mest grundlæggende teknologier udviklet til at studere genetik, gør det muligt for forskere at bestemme sekvensen af ​​nukleotider i DNA -fragmenter. Teknikken med kædetermineringssekventering , udviklet i 1977 af et team ledet af Frederick Sanger , bruges stadig rutinemæssigt til at sekvensere DNA-fragmenter. Ved hjælp af denne teknologi har forskere været i stand til at studere de molekylære sekvenser forbundet med mange menneskelige sygdomme.

Efterhånden som sekventering er blevet billigere, har forskere sekventeret genomerne for mange organismer ved hjælp af en proces kaldet genomsamling , som anvender beregningsværktøjer til at sy sammen sekvenser fra mange forskellige fragmenter. Disse teknologier blev brugt til at sekvensere det menneskelige genom i Human Genome Project, der blev afsluttet i 2003. Nye high-throughput sekventeringsteknologier sænker dramatisk omkostningerne ved DNA-sekventering, hvor mange forskere håber at bringe omkostningerne ved resekventering af et menneskeligt genom ned på tusind dollars.

Næste generations sekventering (eller sekvensering med høj kapacitet) opstod på grund af den stadigt stigende efterspørgsel efter billige sekventering. Disse sekventeringsteknologier tillader produktion af potentielt millioner af sekvenser samtidigt. Den store mængde tilgængelige sekvensdata har skabt underfeltet i genomik , forskning, der bruger beregningsværktøjer til at søge efter og analysere mønstre i organismernes fulde genomer. Genomik kan også betragtes som et underområde for bioinformatik , som anvender beregningsmetoder til at analysere store sæt biologiske data . Et fælles problem for disse forskningsområder er, hvordan man håndterer og deler data, der omhandler mennesker og personligt identificerbare oplysninger .

Samfund og kultur

Den 19. marts 2015 opfordrede en gruppe af førende biologer til et verdensomspændende forbud mod klinisk brug af metoder, især brug af CRISPR og zinkfinger , for at redigere det menneskelige genom på en måde, der kan arves. I april 2015 rapporterede kinesiske forskere resultater af grundforskning for at redigere DNA fra ikke-levedygtige menneskelige embryoner ved hjælp af CRISPR.

Se også

Referencer

Yderligere læsning

eksterne links