Генска експресија

Генетски код

Гените обично го експресираат (изразуваат) својот функционален ефект преку производството на белковини, кои се сложени молекули што учествуваат во повеќето процеси во клетката. Белковините се состојат од еден или повеќе полипептидни ланци, од кои секој е изграден од низа на аминокиселини, а ДНК-низата на еден ген (преку посредникот РНК) се користи за создавање на специфична аминокиселинска низа. Овој процес започнува со производство на РНК молекула која има низа што е компатибилна со ДНК-низата на генот - процес познат како транскрипција.

Добиената молекула на РНК по пат на транскрипција, наречена информациска РНК, потоа дава соодветна аминокиселинска низа во процесот транслација. Секоја група од три нуклеотиди во низата (позната како кодон) е соодветна на една од дваесетте можни аминокиселини што влегуваат во состав на белковините или, пак, таа служи како упатство за запирање на создавањето на аминокиселинската низа; оваа соодветност се нарекува генетски код. Протокот на информација е еднонасочен: информацијата се пренесува од нуклеотидните низи во аминокиселинската низа на белковините, но таа никогаш не се пренесува од белковините до низата од ДНК - појава која Френсис Крик ја нарекол централна догма на молекуларната биологија.

Специфичната низа на аминокиселини резултира во единствена тридимензионална градба на дадената белковина, а тридимензионалната градба на белковините е поврзана со нивните функции.^[1][2] Некои од нив се едноставни структурни молекули, како влакната составени од белковината колаген. Белковините можат да се сврзат со други белковини и едноставни молекули, понекогаш дејствувајќи како ензими кои ги забрзуваат хемиските реакции што се одвиваат меѓу врзаните молекули (без да се менува самата градба на белковината). Градбата на белковините е динамична; белковината хемоглобин се среќава во разни облици, што и помага да го забрза прифаќањето, преносот и ослободувањето на кислородните молекули во крвта на цицачите.

Една единствена разлика во нуклеотидите на ДНК може да доведе до промена во аминокиселинската низа на една белковина. Бидејќи белковините се добиваат од аминокиселински низи, некои од овие промени можат значително да ги изменат својствата на белковината со нарушување на градбата или промена на површината на белковината така што се менува неговото содејство со останатите белковини и молекули. На пример, српестата анемија е генетско нарушување кај човекот кое се добива од единечна разлика во базите во регионот што го кодира β-глобинскиот дел на хемоглобинот, што води до единечна промена во аминокиселините која ги менува физичките својства на хемоглобинот.^[3] Српестите молекули хемоглобин се прилепуваат еден за друг и даваат фибрили кои ја менуваат формата на еритроцитите во кои се наоѓа оваа белковина. Овие српести клетки веќе не се движат глатко низ крвните садови, можат да ги запушат или разградат, предизвикувајќи здравствени проблеми поврзани со оваа болест.

Некои гени се транскрибираат во РНК но не се транслираат во белковински производи. Вакви молекули на РНК се познати како некодирачка РНК. Во одредени случаи, овие производи се менуваат во структури кои се вклучени во критичните функции на клетката (на пример, рибозомска РНК и транспортна РНК). РНК може исто така да има и регулаторен ефект преку хибридизација со други молекули на РНК (на пример, микро РНК).

Наследство или влијание на средината?

Иако во гените се содржи целата потребна информација за функционирање на организмот, околната средина игра важна улога во одредувањето на крајниот фенотип. Оваа појава најчесто се означува како „дилема: наследство или средина?“ (англиски: „nature vs. nurture“). Фенотипот на организмот зависи од содејството на генетиката со средината. Еден пример за ова се мутациите осетливи на температура. Често се случува да една промена во аминокиселините на дадена белковина не го промени однесувањето и заемодејствата со други молекули, но да ја дестабилизира градбата. Во средина со висока температура, каде молекулите се движат побрзо и меѓусебно се судруваат, ова води до рушење на градбата на белковината и губење на нејзината функција. Меѓутоа, во средина со ниска температура, градбата на белковината е стабилна и функционира нормално. Овој тип на мутација е забележлив во обојувањето на крзното на сијамските мачки, кај кои мутација на ензимот одговорен за производство на пигмент доведува до дестабилизација и губење на неговата функција при високи температури.^[4] Белковината останува функционална во кожата што се наоѓа во региони кои се поладни: нозе, уши, опашка и лице. На овој начин, мачката има потемно крзно на нејзините екстремитети.

Околната средина игра значителна улога и во ефектите од наследната болест фенилкетонурија кај луѓето.^[5] Мутацијата која предизвикува фенилкетонурија ја оневозможува способноста на телото да ја разгради аминокиселината фенилаланин, што води до токсично натрупување на молекула-меѓупроизвод, која предизвикува сериозни симптоми на прогресивна умствена ретардација и епилепсија. Меѓутоа, ако лице со мутација за фенилкетонурија се придржува до строг начин на исхрана со кој се избегнува оваа аминокиселина, тоа останува нормално и здраво.

Популарен метод за одредување на тоа колкава улога имаат наследството и средината е проучувањето на еднојајчени (идентични) и двојајчени (дизиготски) близнаци или браќа/сестри од повеќеплодна бременост.^[6] Поради тоа што идентичните близнаци потекнуваат од истиот зигот, тие се генетски исти. Меѓутоа, дизиготските близнаци се исто толку генетски различни како и нормални браќа/сестри. Со споредба на дизиготски и идентични близнаци, т.е. колку често даден близнак од еден близнаков пар го поседува истото нарушување, научниците можат да дознаат дали е поголем ефектот на наследството или на средината. Еден познат пример на проучување на повеќеплодна бременост е едно американско семејство со идентични квадриплети (четири деца, добиени од четири посебни зиготи, носени едновремено). На сите нив им била дијагностицирана шизофренија.^[7]

Генска регулација

Геномот на даден организам содржи илјадници гени, но не е потребно сите тие гени да бидат активни во било кој момент. Еден ген се експресира кога се транскрибира во иРНК (и кога ќе се транслира во белковина), а постојат многу методи со кои клетката врши контрола на експресијата на гените, со помош на кои белковините се произведуваат само кога ѝ се потребни на клетката. Факторите на транскрипција се регулаторни белковини кои се врзуваат за почетоците (старт-местата) на гените, со што ја поттикнуваат или инхибираат транскрипцијата на генот.^[8] На пример, во геномот на бактеријата E. coli постои низа од гени потребни за синтеза на аминокиселината триптофан. Меѓутоа, кога триптофанот го има во доволни количества во клетката, овие гени за синтеза на триптофан не се веќе потребни. Присуството на триптофан непосредно влијае врз активноста на гените: триптофанските молекули се врзуваат за триптофанскиот репресор (фактор на транскрипцијата), со што ја менуваат градбата на репресорот така што репресорот се врзува за гените. Триптофанскиот репресор ја блокира транскрипцијата и експресијата на гените, со што создава регулација со негативна повратна врска на процесот на синтеза на триптофан.^[9]

Разликите во експресијата на гените се особено јасни кај многуклеточните организми, каде сите клетки го содржат истиот геном, но имаат многу различни структури и начини на однесување (функционирање), што е резултат од експресијата на различни групи на гени. Сите клетки во многуклеточниот организам се добиени од една клетка, која се диференцира на различни типови клетки како одговор на надворешни и внатрешни сигнали, и постепено воспоставувајќи различни патишта на генска експресија за да се создадат различни типови однесување. Бидејќи ниеден поединечен ген не е одговорен за развојот на структурите на многуклеточните организми, овие патишта произлегуваат од сложените заемодејства на многу клетки.

Кај еукариотите постојат структурни одлики на хроматинот кои влијаат на транскрипцијата на гените; некои од вака настанатите промени се наследуваат од страна на ќеркините клетки.^[10] Овие одлики се наречени „епигенетски“ бидејќи не ја менуваат нуклеотидната низа на ДНК, тие се механизам „над“ ДНК („επί-“ — над) и се задржуваат во текот на наследувањето од едно клеточно поколение до друго. Поради епигенетските фактори, различни клеточни типови израснати на ист медиум можат да имаат многу различни својства. Иако епигенетските одлики обично се динамични во текот на развитокот, некои (појава на парамутација) се наследуваат низ повеќе поколенија и постојат како ретки исклучоци од општото правило за ДНК како основа на наследувањето.^[11]

Мутации

За време на репликацијата на ДНК, повремено се случуваат грешки во полимеризацијата на втората низа. Овие грешки, наречени мутации, можат да имаат влијание врз фенотипот на организмот, особено ако се случат во белковинската кодирачка низа за еден ген. Стапките на грешка се обично многу мали — 1 грешка на секои 10 - 100 милиони бази — како резултат на „верификационата“ способност на ДНК-полимеразите.^[12][13] Без верификација, стапките на грешка се илјада пати повисоки; исто така, бидејќи многу вируси имаат ДНК и РНК-полимерази кои немаат верификациона способност, тие подлежат на повисоки стапки на мутација. Процесите кои ја зголемуваат стапката на промени во ДНК се наречени мутагени: мутагените хемикалии поттикнуваат грешки при репликацијата на ДНК, често по пат на интерферирање во спарувањето на базите, додека ултравиолетовото зрачење индуцира мутации преку оштетување на градбата на ДНК.^[14] Хемиското оштетување на ДНК не мора да биде предизвикано од мутагени создадени од човекот и UV зрачење; тоа се случува и без нивно присуство. Клетките користат ДНК-поправни механизми за отстранување на неправилностите во ДНК, но, овие механизми понекогаш не успеваат да ја вратат ДНК до нејзината првобитна низа.

Кај организмите кај кои има хромозомски кросинговер за размена на ДНК и рекомбинација на гените, грешките во подредувањето за време на мејоза можат исто така да предизвикаат мутации.^[15] Грешките во кросинговерот се особено очекувани кога слични низи доведуваат до тоа да партнерските хромозоми преземат погрешен сегмент; ова ги прави некои региони посклони на вакви мутации. Овие грешки создаваат големи структурни промени во ДНК-низата — дупликации, инверзии и бришења на цели региони — или случајна размена на цели делови меѓу различни хромозоми (процес познат како транслокација).

Природна селекција и еволуција

Мутациите го изменуваат генотипот на организмите и ова води кон привремена појава на различни фенотипови. Повеќето мутации имаат мал ефект на фенотипот на организмот, неговото здравје или адаптивната вредност. Мутациите кои имаат ефект се најчесто штетни, но повремено се јавуваат и корисни мутации. Проучувањата на винската мушичка (Drosophila melanogaster) укажуваат дека доколку мутацијата ја промени белковината произведен од еден ген, околу 70% од овие мутации ќе бидат штетни, а остатокот неутрални или малку корисни.^[16]

Популационата генетика ја проучува разместеноста на генетските разлики во рамките на популациите и како оваа разместеност се менува во времето.^[17] Промените во честотата на алел од популацијата главно се резултат од природната селекција, при што даден алел му дава селективна или репродуктивна предност на организмот,^[18] како и од други фактори од типот на мутација, генетско поместување, генетски драфт,^[19] вештачка селекција и миграција.^[20]

По многу поколенија, геномите на организмите можат значително да се променат, што е всушност феноменот на еволуција. Селекцијата на корисните мутации може да му дозволи на видот да еволуира во форми кои подобро можат да опстанат во нивната животна средина, процес познат како адаптација.^[21] Нови видови се формираат со процесот на видообразба, кој многу често е предизвикан од географски бариери кои им оневозможуваат на популациите да разменат гени.^[22] Примената на принципите на генетиката во популационата биологија и еволуцијата се нарекува модерна синтеза.

Со споредување на хомологијата меѓу геномите од различни видови, можно е да се пресмета еволутивното растојание меѓу нив и времето на нивната дивергенција (метод на молекуларен часовник). Генетските споредби се сметаат за поточен метод за одредеување на стапката на сродност меѓу видовите, за разлика од фенотипските одлики. Еволутивните растојанија меѓу видовите може да се искористат за формирање на еволутивни дрва; овие дрва го претставуваат заедничкото потекло и дивергенцијата на видовите во времето, но тие не го прикажуваат преносот на генетски материјал меѓу неповрзани видови (процес познат како хоризонтален пренос на гени, кој е многу чест кај бактериите).^[23]

Моделни организми

И покрај тоа што генетичарите првобитно ја истражувале наследноста кај многу видови на организми, истражувачите почнале да се специјализираат за проучување на генетиката на одредена група организми. Фактот што постојат опсежни истражувања за даден организам ги охрабрува новите истражувачи да го изберат тој организам за понатамошни истражувања. На овој начин се појавиле неколку моделен организми кои станале основа за најголем дел од истражувањата во генетиката.^[24] Чести полиња на истражување во генетиката на моделните организми се генската регулација и улогата на гените во развитокот и појавата на ракот.

Краткото време за добивање на нови поколенија и лесното генетско манипулирање ги направи некои организми популарни алатки во генетските истражувања. Широко користени моделни организми се цревната бактерија ешерихија коли (Escherichia coli), растението тенкоѕиден урочник (Arabidopsis thaliana), лебен квасец (Saccharomyces cerevisiae), цевчестиот црв Caenorhabditis elegans, винска мушичка Drosophila melanogaster, како и обичниот куќен глушец (Mus musculus).

Медицина

Медицинската генетика се обидува да разбере на кој начин генетската варијација е поврзана со здравјето на човекот и болестите.^[25] Кога се бара непознат ген кој би можел да причинува болест, истражувачите најчесто користат дијаграми на генетско сврзување и генеалошки дијаграми, со помош на кои се бара регионот во геномот асоциран со болеста. Кога ќе биде пронајден генот-кандидат, понатамошните истражувања често продолжуваат на кореспондирачкиот ген (наречен ортологен ген) кај модел организмите. Паралелно со истражувањата на генетските заболувања, зголемената достапност на методите за генотипирање доведе до појава на фармакогенетиката, која проучува како генотипот може да влијае на одговорот на организмот што е предизвикан од одреден лек.^[26]

Единките се разликуваат по нивната наследена тенденција да развиваат рак,^[27] а ракот е генетско заболување.^[28] Процесот на развиток на рак во телото е комбинација од настани. Во текот на делбата на клетките повремено се случуваат мутации. Иако овие мутации нема да бидат предадени на потомството, тие може да влијаат врз однесувањето на клетките, понекогаш предизвикувајќи ги да растат поинтензивно и да се делат многу почесто. Постојат биолошки механизми кои се наменети да го запрат овој процес; се даваат сигнали на клетките кои несоодветно се делат кои ќе поттикнат клеточна смрт, но некогаш се јавуваат дополнителни мутации кои ги поттикнуваат клетките да ги игнорираат овие пораки. Во телото се одвива внатрешен процес на природна селекција и на крајот се акумулираат мутации во клетките кои го промовираат нивниот сопствен раст, создавајќи притоа канцерозен тумор кој расте и врши инвазија на различни ткива во телото.

Во нормални услови клетката се дели само како одговор на сигнали — „фактори на растот“, таа престанува да расте кога остварува контакт со околните клетки (контактна инхибиција) и како одговор на сигналите за инхибирање на растот, се дели ограничен број пати и умира (апоптоза), останува во епителот и не е во можност да мигрира во други органи. За да стане канцерозна клетка, клетката треба да акумулира мутации во одреден број гени (3-7) кои и овозможуваат да ги заобиколи сите овие регулаторни механизми: тогаш на неа не ѝ се потребни фактори на растот, продолжува со раст кога остварува контакт со соседните клетки и ги игнорира инхибиторните сигнали, таа ќе продолжи бесконечно да расте и е бессмртна, ќе излезе од епителот и на крај може да биде способна да избега од првичниот тумор, да го премине ендотелот на крвните садови, да се транспортира со крвотокот и да колонизира нов орган, образувајќи смртоносни метастази. Иако постојат некои генетски предиспозиции кај мал дел канцери, главниот дел е како резултат од низа на нови генетски мутации кои најпрво се јавуваат и акумулираат во еден или мал број клетки кои ќе се поделат и ќе образуваат тумор и кои не се предаваат на потомството (соматски мутации). Најчести мутации се губитокот на функцијата на белковината p53, кој е туморски супресор, како и функционалните мутации во ras-белковините, или во други онкогени.

Методи на истражување

ДНК може да биде манипулирана во лабораторија. Рестриктивните ензими (ензим „генски ножици“) се често користени ензими кои можат да ја сечат ДНК на специфични низи, давајќи предвидливи фрагменти од ДНК.^[29] ДНК фрагментите можат да се визуелизираат со употребата на гелна електрофореза со која се одвојуваат фрагментите според нивната должина.

Со употреба на лигациски ензими (ензим „генско лепило“) се овозможува поврзување на ДНК фрагментите, а со лигација на фрагменти од ДНК од различно потекло истражувачите може да добијат рекомбинантна ДНК. Често поврзувана со генетски изменети организми, рекомбинантната ДНК обично се користи во контекст на плазмиди — кратки и кружни ДНК фрагменти со само неколку гени. Со вметнување на плазмиди во бактериите и растење на овие бактерии на агарни плочи (за да се изолираат клонови од бактериски клетки), истражувачите можат клонално да го амплифицираат вметнатиот фрагмент на ДНК (процес познат како молекуларно клонирање).^[b]

ДНК може да биде амплифицирана и со процедурата наречена полимеразна верижна реакција (ПВР).^[30] Со специфични кратки низи на ДНК, со ПВР може да се изолира и експоненцијално да амплифицира целен регион од ДНК. Поради тоа што може да амплифицира од многу мали количини на ДНК, ПВР е исто така често користена за откривање на присуството на специфични ДНК-низи.

Секвенционирање на ДНК и геномика

Една од најфундаменталните технологии развиени со цел проучување на генетиката на организмите е секвенционирањето на ДНК. Овој процес овозможува да се одреди низата од нуклеотиди во ДНК фрагментите. Развиена во 1977 од Фредерик Сангер и неговите соработници, секвенционирањето со терминација на веригата сега рутински се употребува.^[31] Со помош на оваа технологија истражувачите биле во можност да ги проучат молекуларните низи поврзани со многу заболувања на човекот.

Со поевтинувањето на секвенционирање, секвенционирани се геномите на многу организми со користење на компјутерски алатки за да се закрпат низите од многу различни фрагменти (процес познат како геномско асемблирање).^[32] Овие технологии се искористени за секвенционирање на човечкиот геном, што довело до довршување на проектот за човечкиот геном во 2003.^[33] Новите технологии значително ја намалуваат цената на ДНК секвенционирањето, што им дава надеж на истражувачите да ја доведат цената на повторно секвенционирање на човечкиот геном до илјада долари.^[34]

Големото количество на достапни податоци од секвенционирањето довело до создавање на геномиката, поле на истражување кое користи компјутерски алатки за откривање и анализирање на закономерности во целосниот геном на организмите. Геномиката може да се смета и како гранка на биоинформатиката, која употребува компјутерски приод во анализирањето на голема количина на биолошки податоци.

• Големина на бактерискиот геном
• Наследна болест
• Историја на генетиката
• Список на статии од генетика

• ^а Сепак, доказите од епигенетиката ги направиле повторно актуелни некои аспекти од теоријата на Ламарк.^[35]
• ^b Клонирањето може да се однесува и на создавање клон-организми од различни причини.

• Учебник „Вовед во генетика“ Архивирано на 6 март 2016 г. - проф. д-р Мирко Спироски (PDF, 115 стр.) (македонски)
• Институт за имунобиологија и хумана генетика Архивирано на 22 јули 2011 г. (ИИБХГ) при УКИМ, Скопје (македонски)

Стручна периодика

• Европско списание за хумана генетика (англиски)
• Гените и развојот (англиски)
• Хумана молекуларна генетика Архивирано на 7 октомври 2008 г. (англиски)
• Најнови вести од генетиката Архивирано на 8 јули 2006 г. (англиски)