Genetika

Genetika (a görög genno γεννώ= életet adni szóból) a gének, az öröklődés és az élőlények variációjának tudománya. A szót először az angol tudós, William Bateson használta Adam Sedgewicknek 1905. április 18-án írt levelében, az öröklődést és a varáció tudományát jellemezve vele.

Az emberiség a genetikai tudást már az őskorban felhasználta a háziasítással és a növények, állatok szelektív tenyésztésével. A modern kutatásokban egy adott gén vagy genetikai kölcsönhatások vizsgálatára a genetika szolgáltatja az eszközöket. Egy élőlényen belül, a genetikai információt kromoszómák hordozzák, ahol ez az információ a DNS-ben van kódolva.

DNS

A DNS a dezoxi-ribonukleinsav magyar rövidítése.

A biológiai információ átadódását egyik generációtól az azt követő generációnak az örökítőanyag teszi lehetővé. A prokarióták és eukarióták genetikai információját hordozó anyag (genom) a DNS, vírusokban a genom lehet DNS vagy RNS.

RNS

Az RNS (ribonukleinsav) a DNS-hez (dezoxiribonukleinsav) hasonlóan polimer óriásmolekula, amely sok, hasonló egységből épül fel. Egységei a ribonukleotidok. A ribonukleotidok száma egy RNS-molekulán belül 75-től több ezerig terjedhet. Minden ribonukleotid egység egy ribóz (cukor-) molekulából, egy nitrogén-tartalmú szerves bázisból és egy foszfát csoportból áll. Az egyes egységek a foszfát csoporton keresztül, ún. foszfodiészter-kötéssel kapcsolódnak egymáshoz. A szerves bázisok az RNS-ben adenin (A), citozin (C), guanin (G) és uracil (U) lehetnek (a DNS-ben az uracil helyett timin található). Minden szervezet RNS-molekulák segítségével szintetizál fehérjéket. Néhány egyszerű szervezet (pl. vírusok) örökítőanyaga RNS, és egyes RNS-molekulák katalitikus tulajdonságokkal bírnak, így enzimfunkciót is betöltenek (ribozim enzimek).

Az RNS típusai

A génexpresszióban, tehát a DNS-ben kódolt öröklött tulajdonságok kifejeződésében szerepet játszó RNS-molekulák főbb csoportjai a következők:

• messenger RNS (mRNS, „hírvivő” RNS): a legtöbb RNS fajtához hasonlóan egyszálú molekula, hosszúsága, így tömege is nagyon variábilis. Szerepe a fehérjeszintézisben a DNS-ben kódolt genetikai információ szállítása a fehérjék szintézisének helyére, a riboszómákhoz. A legkevésbé tömeges RNS-típus, a sejtekben előforduló összes RNS tömegének 5%-át adja.
• transfer RNS (tRNS): a legkisebb RNS-molekula: általában 75-80 nukleotid egységből épül fel, így tömege is a legkisebb. Szerepe a fehérjék építőegységeinek, az aminosavaknak a riboszómákhoz való szállítása. Mind a 20, fehérjékben előforduló aminosavat legalább egy, specifikus tRNS köt meg. Funkcionális szempontból két legfontosabb molekularészletük az aminosav-kötőhely és a templát-felismerőhely. Az aminosavak kötése a molekula ún. 3’ végén történik (az egyes nukleotid egységek kapcsolódása a ribóz 3’ szénatomjához és 5’ szénatomjához kapcsolódó OH- ill. PO₄-csoportokon keresztül történik. 3’ végnek nevezzük a lánc azon végét, ahol a nukleotid 3’ szénatomján elhelyezkedő OH-csoporthoz nem kapcsolódik foszfát. A templát-felismerőhelyet antikodonnak is szokták nevezni. Az mRNS molekula három nukleotidjához (egy kodonjához) kapcsolódik. A kodont alkotó nukleotidok sorrendjének megfelelően egy specifikus tRNS kötődik a riboszómához, és szállítja a növekvő polipeptid (fehérje) lánc soron következő aminosav egységét. Az összes RNS molekulák össztömegének 15%-át adja.
• riboszómális RNS (rRNS): az összes RNS tömegének 85%-át e típus adja. A riboszómák felépítésében vesznek részt (fehérjék mellett). Három típusuk van, amelyeket ülepedési együtthatójuk után 23S, 16S és 5S rRNS-nek hívnak. Az „S” a Svedberg rövidítése. Centrifugálás közben az egyes alkotórészek méretüktől függően eltérő magasságban rétegződnek. Ezt a pozíciót jellemzik a Svedberg-értékek.
• ezeken kívül még számos RNS-csoport létezik, például az sn (small nuclear-) RNS, amely az RNS-splicingban játszik szerepet.

RNS-szintézis (transzkripció)

Az RNS-molekulák szintézisét specifikus enzimek, az RNS-polimerázok katalizálják. A polimerázok működéséhez a következő összetevőkre van szükség:

• templátmolekula: templátnak nevezzük általános értelemben a képződő makromolekula szerkezetét meghatározó információt hordozó molekulát, jelen esetben a DNS-t.
• a nukleotidok aktívált előalakjai (prekurzorai): a négyféle bázist tartalmazó nukleozid-trifoszfátok, melyekben a ribóz molekulához három foszfát-csoport csatlakozik.
• fémionok (E. coliban: Mg²⁺ vagy Mn²⁺)

Az RNS-szintézis mechanizmusa hasonlít a DNS-replikáció mechanizmusához: az RNS-polimeráz enzim mintegy „leolvassa” a DNS-t felépítő nukleotidok sorrendjét, és olyan nukleozidokat épít be a hosszabbodó RNS-láncba, melyek bázisai a DNS-bázisaival ideiglenes hidrogén-kötéseket képesek létesíteni (az adenin az uracillal, a guanin a citozinnal állítható párba ilyen szempontból). Az épülő lánchoz egy újabb nukleozid-trifoszfát kötődik, miközben a ribóz 3’ szénatomjához kapcsoló hidroxil- (OH-) csoport közvetítésével a trifoszfátot alkotó három foszfát-csoport két tagja hidrolizál, pirofoszfátként leválik, a megmaradt nukleozid-monofoszfát ezzel egy időben a lánchoz kapcsolódik. A DNS teplát azon helyét, ahol az átírás megkezdődik, promóter helynek, ahol befejeződik, terminátor helynek nevezzük.

Az RNS-polimeráz és a DNS-polimeráz működése különbözik abban, hogy az RNS-polimeráznak nincsen nukleáz (nukleinsav bontó) aktivitása, így képtelen kijavítani a hibásan bekötött nukleotidokat. Ez evolúciós szempontból megengedhető hibarátát eredményez. A hibás átírás a transzkripció esetében csak az aktuálisan képződő fehérjemolekulát teszi nagy valószínűséggel működésképtelenné, de mikor újból fehérje átirat képződik az adott génről (expresszálódik), már helyesen íródhat át újra. Ezzel szemben, ha a DNS-polimeráz hibázik, a sejt osztódása után az egyik leánysejtben lévő DNS hibás lesz, arról már nem íródhat át helyes sorrendű mRNS. Különbség a DNS-polimerázzal szemben az is, hogy az RNS-polimeráz nem igényel primert, tehát olyan rövid láncrészletet, ahol megkezdheti a lánc hosszabbítását.

Az RNS-splicing (szerkesztés)

A baktériumok DNS-e teljes egészében kódoló szakaszokból, génekből áll. Ezzel szemben az eukarióta szervezetek DNS-ében a gének nem folyamatosan tartalmaznak kódoló régiókat, közéjük ékelődve aminosavat nem kódoló szakaszokat találunk. Ezeket a szakaszokat intronoknak nevezzük, míg a kódoló szakaszokat exonoknak. A transzkripció során a teljes gén átíródik mRNS-be, függetlenül attól, hogy az adott szakasz exon vagy intron. Az átíráskor létrejött mRNS-t „primer transzkriptumnak", átiratnak nevezzük. Ebből a fehérjeszintézis (transzláció) előtt a splicingnak („szerkesztés”) nevezett folyamat során kivágódnak az intronok. A splicing a splicosomákban megy végbe, amelyet fehérjék és egy kis molekulájú RNS, az snRNS alkotnak. Az intronok felismerését segíti, hogy kezdetükön szinte mindig GU-t (guanin-uracil) találunk, és AG-vel végződnek, amit egy pirimidinben gazdag régió előz meg. Az exonok egy génen belül sokszor, de nem mindig a kódolt fehérje egy-egy domain-jét (alegységét) kódolják.

Irodalom

• Weaver, R. F. & Hedrick, P. W. 1997. Genetics, 3rd Ed. New York: WC Brown/McGraw-Hill. (magyarul: Budapest: Panem, 2000)
• Stryer, L. 1988. Biochemistry, 3rd Ed. New York: W.H.Freeman and Co.

A DNS szerkezete lehetővé teszi az információ majdnem tökéletesen stabil tárolását, pontos megkettőződését és átadását. A DNS kémiai szerkezete magában rejti az evolúcióban fontos szerkezetváltozás lehetőségét is. Az információ nemcsak a fehérjék szerkezetére vonatkozik, hanem módot nyújt azok szintézisének mennyiségi és időbeli szabályozására is, így végső soron a sejtek csaknem valamennyi funkciója a DNS ellenőrzése alatt áll.

A fehérjék szerkezetére vonatkozó információ hárombetűs genetikai kód formájában tárolódik és adódik át. Az információáramlás iránya kevés kivételtől eltekintve: DNS-> RNS-> fehérje

A DNS szerkezete

A nukleinsavak nukleotid egységekből álló polimerek. A polimer építőkövei a DNS esetében adenin, timin, citozin, guanin. A polimer váza a nukleotidok foszfodiészter kötéssel egymáshoz kapcsolódó dezoxi-ribózrészeiből áll, a foszfodiészter kötés az egyik nukleotid cukor komponensének 3'OH-csoportja és a következő cukorkomponensének 5'OH-ja között található. A szerkezet változó része az egymás követő nukleotidok bázisainak a sorrendje, ez a bázissorrend határozza meg az információt.

A DNS szerkezetének felfedezése

Az 1950-es években három csoport tűzte ki céljául a DNS szerkezetének felfedezését. Az első csoport a londoni King's College-en alakult és Maurice Wilkins vezette. Később Rosalind Franklin csatlakozott. Egy másik, Francis Crickből és James D. Watsonból álló csoport alakult Cambridge-ben. A haramdik csoport Caltechben volt és Linus Pauling vezette. Crick és Watson fizikai modelleket készített fémrudakból és golyókból, amikben egyesítették a nukleotidok ismert kémiai szerkezetét ugyanúgy, mint a kapcsolatokat, amik a nukleotidokat a következőhöz kapcsolják a polimer hosszában. A King's College-en Maurice Wilkins és Rosalind Franklin röntgensugár-elhajlási mintákat vizsgáltak a DNS-láncon. Of három csoport közül csak a londoni csoport tudott jó minőségű elhajlási mintát készíteni, amik elégséges mennyiségű adatnak bizonyultak a szerkezettel kapcsolatban.

A DNS kémiai szerkezete

A hélix-szerkezet

1948-ban Pauling felfedezte, hogy sok protein tartalmaz hélikus alakzatokat. Pauling erre a szerkezetre röntgenmintákból következtetett. (Pauling Astbury adatai alapján később egy háromláncos hélix-szerkezetre következtetett hibásan.) Még a kezdeti elhajlási adatokból a DNS-ről, amit Maurice Wilkins készített, nyilvánvaló volt, hogy a szerkezetben hélixek vannak. De ez a megérzés csak a kezdet volt. Az a kérdés, hogy hány szál kapcsolódik, még nyitott maradt, ugyanúgy, mint hogy vajon ez a szám ugyanannyi-e minden hélixnél, vagy hogy a bázisok a hélixtengely felé néznek, vagy attól el, és végül hogy mik a konkrét kötési szögek és az atomok pontos koordinátái. Ezek a kérdések motiválták Watson és Crick modellezési próbálkozásait.

Egymást kiegészítő nukleotidok

A modellezésben Watson és Crick arra korlátozták magukat, amit kémiailag és biológiailag ésszerűnek láttak. A lehetőségek spektruma viszont még mindig széles volt. 1952-ben egy áttörés következett be, amikor Erwin Chargaff meglátogatta Cambridge-t és Cricket inspirálta azokkal a kísérletekkel, amiket 1947-ben publikált. Chargaff megfigyelte, hogy a négy nukleotid aránya változik különböző mintákban, de bizonyos nukleotidpárok esetén - adenozin és timin, guanin és cytozin – a két nukleotid mindig egyenlő arányban mutatkozik.

Watson és Crick modellje

Crick és Watson DNS modellje, ami 1953-ban épült jelenleg a londoni Nemzeti Tudományos Múzeumban tekinthető meg.

Watson és Crick elkezdtek kettős hélix elrendezéseken gondolkodni, de nem volt elég információjuk a csavarodásról és a távolságról a két szál között. Rosalind Franklinnek fel kellett fednie néhány felfedezését az Orvosi Kutatási Tanácsnak és Crick ezt az anyagot Max Perutz kapcsolatain az OKT-hez láthatta. Franklin munkája igazolt egy kettős hélixet, ami a molekula külsején volt és betekintést nyújtott a szimmetriájába, pontosabban, hogy a két spirális szál ellenkező irányba fut.

Watson és Crick ki lettek segítve Franklin adataival. Ez vitatható, mivel Franklin kritikus röntgenmintáját Franklin tudomása és beleegyezése nélkül mutatták meg Watsonnak és Cricknek. Wilkins a híres 51-es fotót egyből azután mutatta meg Watsonnak a laborjában, miután az sikertelenül próbálta rávenni Franklint, hogy segítsen megelőzni Paulingot a szerkezet megtalálásában.

Az 51-es fotó adatai alapján Watson és Crick nem csak azt tudták megállapítani, hogy a távolság a két szál között állandó, hanem a pontos 2 nanométeres értékét is meg tudták mérni. Ugyanaz a fotó adta meg nekik a 3,4 nanométer/10 bázispár „sűrűségét” a hélixnek.

Az utolsó ötlet akkor jött, amikor Crick és Watson meglátták, hogy a bázisok kiegészítő párosítása magyarázattal szolgálhat Chargaff elgondolkoztató felfedezésére. Ennek ellenére a bázisok szerkezetét hibásan tippelték a tankönyvekben enol tautomernek, mivel nagyobb eséllyel vannak ketonformában. Amikor Jerry Donohue rámutatott erre a téveszmére Watsonnak, Watson gyorsan rájött, hogy az adenin timin párok, és a guanin és cytozin párok majdnem megegyező formájúak és egyenlő méretű „létrafokokat” hoznak létre a két szál között. A bázispárokkal Watson és Crick gyorsan olyan modell felé tért, amit már azelőtt bejelentettek, mielőtt Franklin bármelyik munkáját publikálta volna.

Franklin két lépésre volt a megoldástól. Nem jött rá a bázispárok létezésére és alábecsülte a szimmetria létét. Ennek ellenére egyedül dolgozott, nem volt rendszeres kapcsolata egy partnerrel (mint Crick és Watson esetében) és más szakértőkkel (mint Jerry Donohue-val). A jegyzetei azt mutatják, hogy mind Jerry Donohue munkájára tekintettel volt a bázisok tautomer formájával kapcsolatban (a ketonformát használta 3 bázisnál), mind Chargaff munkájára.

Franklin adatainak elárulása Watsonnak dühített néhány embert, akik úgy hitték, Franklin nem kapta meg a kellő elismerést és esetleg felfedezte a szerkezetet egyedül, Crick és Watson előtt. Crick és Watson híres cikkjében a Nature-ben 1953-ban azt mondták, hogy a munkájukat Wilkins és Franklin munkája ösztönözte, a munkájuk alapja volt. Ennek ellenére megegyeztek Wilkins-szel és Franklinnel, hogy cikkjeiket a Nature közös lapszámában hozzák nyilvánosságra az ígért szerkezet hasznára.

„Központi dogma”

Watson és Crick modellje nagy figyelmet vonzott már a bemutatásakor. Az 1953. február 21-i végkövetkeztetésükhöz jutván Watson és Crick az első bejelentést február 28-án tették közzé. Cikkjük az „ Egy szerkezeti változat a dezoxi-ribonukleinsavra” április 25-én került nyomtatásba. Egy hangsúlyos bemutatón 1957-ben Crick lefektette a "Központi Dogmát", ami megjósolta a kapcsolatot a DNS, az RNS, és a fehérjék között és megformálta a „szekvencia-elméletet”. A replikáció, a kettős hélix szerkezet egy kritikus bizonyítéka 1958-ban került felfedezésre a Meselson-Stahl kísérlet formájában. Crick és munkatársai kimutatták, hogy a genetikai kód egymást nem átfedő kodonnak nevezett bázishármasokból áll. Har Gobind Khorana és mások nem sokkal ezután megfejtették a DNS-kódot. Ezek a felfedezések voltak a molekuláris biológia kezdetei.

Watsont, Cricket, és Wilkinst 1962-ben orvosi Nobel-díjjal jutalmazták a DNS szerkezetének felfedezéséért. Franklin addigra meghalt rákban 37 éves korában. A Nobel-díjat nem osztják posztumusz, ha még élt volna, a döntés a megosztott Nobel-díjról nehéz lett volna, mivel maximum 3-an oszthatják meg a díjat, de mivel a munkájuk vegyészetnek számít, feltételezhető, hogy Wilkins és Franklin inkább kémiai Nobelt kapott volna.

A gének kódolják azt az információt, mely a fehérjék szintéziséhez szükséges. Ennek bár nagy szerepe van benne, mégsem kizárólagosan határozza meg az élőlény fenotípusát. A kódolni valamit kifejezés azt jelenti, hogy egy gén tartalmazza az egy adott fehérje felépítéséhez szükséges instrukciókat. Megjegyzendő, az "egy gén, egy fehérje" elv túlzottan leegyszerűsítettnek tűnik, hiszen egy gén több terméket is produkálhat, a transzkripció szabályozásától függően.

A történet

Gregor Mendel a Brunn Natural History Societyben 1865-ben bemutatott Versuche über Pflanzenhybriden (Növényhibridizációs kísérletek) című munkájában leírta egyes borsónövények öröklődési mintázatait és felvetette, hogy azokat matematikailag is le lehetne írni. Habár nem minden jelleg mutatta a mendeli öröklődés mintázatát, a munkája azt sugallta, statisztikai szempontok alapján kell tanulmányozni az öröklődést. Azóta számos, komplexebb öröklődési formát is kimutattak.

Mendel munkájának jelentőségét egészen a 20. századig nem ismerték fel, amikor is írásait újból felfedezte egymástól függetlenül Hugo de Vries, Carl Correns és Erich Tschermak.

Mendel még nem ismerte/ismerhette a gén fogalmát. Ma már tudjuk, a DNS változása befolyásolhatja az öröklődést és változatos élőlényeket eredményez.

Valójában, a genetika határozza meg, az emberek hogyan néznek ki és esetleg hogyan cselekednek.

Mérföldkövek a genetika történetében

1859 Charles Darwin kiadja A fajok eredetét.

1865 Gregor Mendel írása, Kísérletek növényhibridekkel megjelenik.

1903 A kromoszómákat, mint az öröklődés egységeit felfedezik.

1905 A brit biológus, William Bateson először használja a "genetika" szót Adam Sedgwick-nek írt levelében.

1910 Thomas Hunt Morgan kimutatja, hogy a gének a kromoszómán találhatók.

1913 Alfred Sturtevant elkészíti az első kromoszóma genetikai térképét.

1918 Ronald Fisher kiadja A rokonok közötti kapcsolatról a mendeli öröklődés alapján (On the correlation between relatives on the supposition of Mendelian inheritance) - a modern evolúciós szintézis elkezdődik.

1913 A géntérképek azt mutatják, hogy a kromoszómák lineárisan rendezett gének sorát tartalmazzák.

1927 A génekben lejátszódó fizikai változásokat mutációnak nevezik.

1928 Frederick Griffith felfedez egy molekulát, mely átvihető a baktériumok között (l. Griffith kísérlet).

1931 A crossing over a rekombináció oka.

1941 Edward Lawrie Tatum és George Wells Beadle kimutatják, a gének kódolják a fehérjéket (l. a genetika centrális dogmája).

1944 Oswald Theodore Avery, Colin McLeod és Maclyn McCarty izolálják a DNS-t, a genetikai anyagot.

1950 Erwin Chargaff kimutatja, hogy a négy nukleotid nem stabil arányokban található meg a nukleinsavakban, de néhány szabály általánosnak látszik (az adenin mennyisége azonos a timinével, stb.). Barbara McClintock felfedezi a transzpozont kukoricában.

1952 A Hershey-Chase kísérlet bebizonyítja, a fágok és minden más élőlény genetikai anyaga a DNS.

1953 A DNS szerkezete kettős hélix, derül ki James D. Watson és Francis Crick felfeezéséből.

1956 Jo Hin Tjio és Albert Levan meghatározza az emberi kromoszómaszámot, ami 46.

1958 A Meselson-Stahl kísérlet mutat rá a DNS szemikonzervatív replikációjára.

1961 A genetikai kód tripletekben található.

1964 Howard Temin kimutatja, RNS vírust használva a Watson-i centrális dogma nem mindig igaz.

1970 Haemophilius influenzae baktérium tanulmányozása során fedezik fel a restrikciós enzimeket, lehetővé téve a DNS elvágását, és beillesztését .

1977 DNS szekvenálást végeznek egymástól függetlenül Fred Sanger, Walter Gilbert, és Allan Maxam. Sanger laboratóiuma fejezi be elsőként a Φ-X174 bakteriofág teljes szekvenálását.

1983 Kary Banks Mullis kifejleszti a polimeráz láncreakciót (PCR-t), mely a DNS egyszerű sokszorosítását teszi lehetővé.

1989 Az első gént megszekvenálja Francis Collins és Lap-Chee Tsui, amely a CFTR fehérjét kódolja, e gén hibája okozza a cisztikus fibrózist.

1995 A Haemophilus influenzae baktérium genomja az első, amit teljesen megszekvenálnak.

1996 Saccharomyces cerevisiae az első eukarióta genom, melynek szekvenciáját publikálják.

1998 Az első többsejtű eukarióta genom, C. elegans nevű fonalféregé.

2001 A humán genom első piszkozatát párhuzamosan készíti el a Human Genome Project és a Celera Genomics.

2003 (április 14) A humán genom project sikeres befejezése, a genom 99%-át szekvenálták meg, 99,99%-os eredményességgel.

A genetika területei

Klasszikus genetika

A klasszikus genetika a molekuláris biológia korszaka előtt felhasznált technikákat és módszereket foglalja magába. Miután felfedezték a genetikai kódot és olyan eszközöket, mint a klónozásra használt restrikciós enzimeket, számos kapu nyílt meg a tudományág fejlődése előtt. Néhány klasszikus genetikai alapelvet befolyásolt a molekuláris laboratóriumi módszerek mechanikus megértésének kényszere, de egyesek megmaradtak, úgy mint a mendeli öröklődés törvényei. A genetikai betegségek vizsgálatára pedig továbbra is hasznos eszköznek bizonyultak az ökörlődési mintázatok.

Molekuláris genetika

A molekuláris genetika a klasszikus genetika elvein alapszik, de a gének szerkezetére és működésére koncentrál molekuláris szinten. Mind a klasszikus genetika, mind a molekuláris biológia módszereit felhasználja ( pl. hibridizáció). A molekuláris genetika másik célja, hogy a molekuláris mintázatok figyelembe vételével lehetővé tegye a különböző élőlények osztályozását (molekuláris szisztematika). Az olyan öröklött tényezők vizsgálatával, melyek a DNS változásával nem feltétlenül vannak összekötve, epigenetikának nevezzük.

A molekuláris genetika foglalkozik az élet eredetével is, melyet egyesek RNS-alapúnak vélnek. Utóbbi gondolattal az RNS világ hipotézis foglalkozik.

Populációs, kvantitatív és ökológiai genetika

Populációs, kvantitatív és ökológiai genetika egymáshoz közel álló területek, melyek mindegyike a klasszikus genetika elvein alapszik, kiegészítve a molekuláris genetika eredményeivel. Ezek a területek rendelkeznek közös vonással, hiszen lényegében egy-egy populációt vizsgálnak, de jelentősen eltérnek abban a tekintetben, hogy milyen szemszögből teszik azt. A populációs genetika alapfeladata az allél gyakoriságok változásának leírása az evolúciós erők függvényében, úgy mint a természetes szelekció, genetikai sodródás, mutáció és migráció. Ez a tudományág próbálja magyarázni a biológiai adaptációt és a fajképződést.

A kvantitatív genetika a populációs genetikára támaszkodik. Egy populáció egyedei különböző fenotípust mutatnak, részben, mert különböző genotípusúak, részben, mert különböző környezeti hatások érik őket. A genetikai és a környezeti eredetű variabilitást segít elkülöníteni ez a diszciplína. Napjainkban leginkább a QTL-lel, azaz quantitative trait locus-szal foglalkozik. Sokkal több fenotípusos jeggyel rendelkezünk, mint ahány génnel. Ezért volt szükség a QTL bevezetésére, melynek vizsgálatához hatékony fenotipizálás, pedigré és marker adat szükséges számos hozzátartozótól.

Az ökológiai genetika is nagyrészt a populációs genetikára támaszkodik, de különlegesen nagy hangsúlyt fektet az ökológiára. Vad élőlény-populációkat vizsgál, és megpróbál adatokat szerezni az egyedek ökológiai aspektusairól, úgy mint molekuláris markerek.

Genomika

A genomika a széles genetikai mintázatokat, egy adott faj genomját vizsgálja (beleértve a teljes DNS szekvenciát, a nem kódolót géneket is). A genomika a teljes genom szekvencia hozzáférhetőségétől, a számítástechnikai eszközöktől, a nagy mennyiségű adatok bioinformatikai felhasználásától függ.

Közeli területek

A genetika és a biokémia kapcsolatából fejlődött ki a molekuláris biológia. Ezenkívül létrejött még a génsebészet, melynek keretein belül a DNS-t különféle módszerekkel módosítják. Azonban a legtöbb ágazat célja megérteni a kapcsolatot a gén és az általa létrehozott fenotípus között, ezentúl a populációs viszonyokat is tisztázni( l. populációs genetika, ökológiai genetika).

Gén

A gének olyan nukleinsav-szakaszok a sejtek magjainak kromoszómáiban, melyek a szervezet működését és növekedését befolyásoló fehérjék szabályozásához és előállításához szükséges információkat tartalmazzák. A géneket az utódok szüleiktől öröklik a szaporodási folyamat során.

A gén szó a görög genos (eredet) szóból ered, és számos tudományág használja, beleértve a klasszikus genetikát, molekuláris genetikát, populációs genetikát és az evolúcióbiológiát is.

Az élővilág genetikai anyaga nagyrészt a DNS molekulára épül, bizonyos vírusok azonban RNS-t használnak ugyanebből a célból. Az alábbiakban az egyszerűség kedvéért általában DNS-ről fogunk beszélni mint örökítőanyagról. A DNS-t használó élőlények ugyanakkor szintén RNS-t használnak a génkifejeződési folyamatokban, ezek az úgynevezett messenger RNS-ek, mRNS-ek, riboszómális rRNSek és a transzfer RNS-ek, tRNS-ek.

A DNS-nek mint genetikai anyagnak a leírása, a biotechnológia fejlődése és a humán genom feltérképezésének sikerei miatt az egyre gyakrabban használt „gén” szó pontos meghatározása a molekuláris biológiára hárult. Molekuláris biológiai értelemben a gén a DNS olyan része, amelyet a sejt mRNS-be ír át, majd a fehérjeszintézis (transzláció^[1]) során, annak egy részéből származó információ alapján, fehérjét készít.

A mindennapi beszédben a gént általában valamilyen öröklött betegséggel vagy állapottal hozzák összefüggésbe, mint például az elhízást okozó gén. A biológusok azonban allélekre, mutációkra hivatkoznak, amelyek kapcsolatban állnak az elhízással. Az eltérő álláspont oka az, hogy a biológusok tudják: a géneken kívül számos tényező játszik szerepet abban, hogy az egyén elhízik-e vagy sem. Ilyenek a születés előtti állapotok, metabolikus zavarok, a kulturális környezet, táplálkozás stb.

Valójában ritka, hogy egy gén önmaga határoz meg egy tulajdonságot. A legtöbb esetben a gén (illetve több gén) és a környezeti hatások közötti szoros összhang játszik ebben szerepet. Ennek az összhangnak az eredményét nevezzük fenotípusnak.

A sejttől a génekig

A DNS molekula két cukor-foszfát láncból és az ezeket összekapcsoló bázispárokból áll. A négyféle bázis: adenin, citozin, guanin, timin. Adeninnel szemben mindig timin, guaninnel szemben mindig citozin található. Előbbi kapcsolódást kettő, utóbbit három, ezáltal erősebb hidrogénkötés hoz létre. A két összeillő (komplemementer) szál közül általában csak az egyikről történik RNS-átírás. Ezt értelmes (sense) szálnak nevezzük, a másik az antisense szál. Az értelmes szálon három bázis alkot egy tripletet, mely meghatároz egy aminosavat. Könnyen kiszámolható, hogy 4-fajta bázis 4³ = 64-fajta tripletet képes alkotni, ami jóval több, mint a 20-fajta esszenciális, azaz az élethez elengedhetetlen aminosavak száma. Ennek magyarázata, hogy egy duplett (két bázis) csak 16 aminosavat tudna kódolni, ami nem elég. Ugyanakkor 3-fajta bázispár egy tripletben 27-fajta aminosavat tudna lekódolni. Hogy miért van mégis 4-féle, annak oka az élet eredetének és az átírási folyamatok hatékonyságának vizsgálatában keresendő.

Valószínű válasznak tekinthető a DNS gyakran bekövetkező károsodása, melynek érdekében fejlett helyettesítő mechanizmus alakult ki. Azaz, ha egy aminosavat kódoló tripletben egy bázis megváltozik, attól némi eséllyel még ugyanaz az aminosav fog a fehérje megfelelő részébe kerülni, elkerülve ezzel a funkcióját betölteni nem képes fehérjetermék keletkezését.

A tripletet, azaz az aminosav-kódoló szótár egy szavát kodonnak nevezzük. Egy gén számos tripletet tartalmaz: annyit, ahány aminosavból fog állni a gén által kódolt fehérje, ráadásul még néhányat, melyek a szabályozásban vesznek részt. Az aminosavakat egyedien kódoló három bázispáros szakaszok egy-két kivételtől eltekintve (lásd mitokondriális genetika) az élet összes formájában megegyeznek.

A fehérjék szintézise folytán, a gének irányítják azt a sejtet, melyben megtalálhatók, pontosabban amelyben aktiválódnak. Ugyanis a szervezet összes sejtje ugyanazzal a genetikai információval rendelkezik. A differenciáció (specializálódás) folyamata határozza meg, mely sejtekben mely gének lépnek működésbe, fejtik ki hatásukat azáltal, hogy bizonyos funkciót ellátó fehérjék szintézisét vezérlik. Egy már kialakult szövet sejtjeiben azok a gének, melyek csak más szövetekben játszanak szerepet, inaktív állapotban vannak jelen.

A gének tulajdonságai

Köszönhetően a spontán mutációknak, a gének szekvenciái megváltozhatnak. Ha ez a változás továbbadódik a következő generációnak, ez egy populáción belül az egyedek közti különbségekhez fog vezetni. Egy gén variációi az allélek, amelyek közötti eltérések eltérő jegyeket, például szemszínt eredményeznek. A legelterjedtebb allélt vad típusúnak, a ritkábbakat mutáns alléleknek nevezzük. Az allélek szinergistaként vagy antagonistaként együttesen alakítják ki az adott egyedre jellemző fenotípust.

Általában az mRNS a gén és a transzlálódó fehérje közötti termék. Néhány génnek azonban maga az mRNS a végterméke. Ilyenek a ribozimok (enzimaktivitással rendelkező RNS-molekulák), melyeknek nagy jelentőséget tulajdonítanak az élet megjelenésében (l. Az élet eredete).

Az élőlények hordozzák génjeiket, és DNS-ként örökítik tovább őket, de bizonyos vírusok RNS-t hordoznak. Erre azért van szükség, mert így nem veszítenek időt a transzkripcióval a gazdaszervezetbe kerülésükkor, hanem azonnal szintetizálhatják fehérjéiket. Másrészt az RNS retrovírusok, mint az AIDS kórokozója (HIV), reverz transzkripciót használnak RNS-üknek DNS-be való írásához.

A gének nevezéktana

Minden génhez a HUGO Gene Nomenclature Committee (HGNC) rendel egy szimbólumot, amely lehetővé teszi a gének megkülönböztetését. Ez egyszerűsíti az elektronikus adatok felhasználását és az eltérő fajok közös génjeinek megnevezését. A szimbólumokat megtalálhatjuk a Genew címen. Azaz a géneket vagy egy fantázianév, szimbólum, vagy a kromoszómán (pl. humán gének esetében) való elhelyezkedése alapján nevezik el.

A gének számának váltakozása

A következő táblázat különböző szervezetek génkészletét, bázispárjaik számát adja meg. Nehéz ezt megbecsülni, ugyanis a nem-kódoló vagy ismeretlen funkciójú szekvenciák hovatartozása kérdéses. A táblázatból azonban az a következtetés vonható le, hogy a gének száma és a bázispárok mennyisége, illetve az adott faj evolúciós sikere, fejlettsége között nincs egyértelmű összefüggés.

A gének funkciói és a génkifejeződés

Funkció

Az aminosavakat kódoló géneken kívül nagy százalékban nem-kódoló szekvenciák találhatók. Ezt hulladék DNS-nek nevezzük. Ezek ismétlődő, ismeretlen funkciójú vagy nem-kódoló szakaszok. Az eukarióták génjei nem kódoló intronokból és az információt hordozó exonokból állnak. Az intronok a transzkripciót követően kerülnek kivágásra; ezt a folyamatot splicingnak nevezzük.

A gének, a szabályozó régiók és a hulladék-DNS együttesen alkotják egy élőlény genomját, amely a legtöbb fajban kromoszómákra van osztva. Egy gén helye a genomban, a kromoszómán a lókusz. Ha két különböző gén egymáshoz közel helyezkedik el ugyanazon kromoszómán, akkor valószínűleg hasonló funkciójú fehérje termeléséért felelősek. Erre jó példa az Y kromoszóma, melyen az összes, spermatogenesishez (spermiumtermeléshez) szükséges gén megtalálható.

Számos faj genomjának két kópiáját hordozza testi (szomatikus) sejtjeiben, ezért diploidnak nevezzük őket. Ha ennél több kópia van jelen, poliploidiáról, ha ivari (germinális) sejtek genomjáról van szó, haploidiáról beszélünk.

Génkifejeződés (génexpresszió)

A DNS és a fenotípus közötti kapcsolat nem közvetlen: más DNS-szakaszok befolyásolhatják a folyamatot.

• A transzkripcióra (átírásra) kerülő DNS egy starthely, a promóter és egy stopkodon között helyezkedik el. Ha ezek nem megfelelő helyzetben találhatók, akkor beszélünk hulladék DNS-ről.

• A sejtek azáltal szabályozzák a gének aktivitását, hogy növelik vagy csökkentik az adott gén transzkripcióját, amit fehérjéken, transzkripciós faktorokon keresztül valósítanak meg, melyek a nem-kódoló szakaszok megfelelő részeihez képesek kapcsolódni. A szövetek sejtjei egymással vagy más szövetek sejtjeivel sokszor szintén génműködés-szabályzó molekulák révén kommunikálnak.

• A DNS-t el is lehet halkítani (silencing), DNS-metilációval vagy a DNS-t körülvevő hisztonfehérjék kémiai módosításaival.

• Az RNS gyakran átszerkesztődik (RNS editing), mielőtt még fehérjévé transzlálódna. Az eukarióta sejtek kivágják az intronokat, hiszen csak exonok íródhatnak át. Mivel az intronok többféleképpen vágódhatnak ki, eltérő termékek keletkezhetnek (alternativ splicing^[6]). Prokariótákban hasonló eredménnyel jár transzláció közben a tripletek olvasási keretének (más néven reading frame) eltolódása, mely átfedő géneket is eredményezhet.

• Az RNS fehérjévé történő transzlációja is csak rá jellemző start- és stop-parancs közé van zárva.

• Az elkészített fehérje kölcsönhatásba kerül a sejt más fehérjéivel, melyek végül kialakítják az adott jelleget.

A gének az evolúció szolgálatában

Mint ahogy a génexpressziót is több tényező befolyásolja, számos módon jöhet létre mutáció (véletlen változás) is. Ebben legnagyobb hatása a mutagén anyagoknak (kemikáliák, gyógyszerek), illetve környezeti hatásoknak (radioaktív szennyezés, nehézfémszennyezés) van.

A evolúció is variációk létrehozásával szolgál. Ezért egy külső jegyben érzékelhető változás nem tudható be egyértelműen a gén szekvenciájában fellelhető hibának, hiszen a szabályozóegységek is okozhatnak hasonló fenotípusos és genotípusos különbséget.

A DNS-replikáció közben vétett hibák egy-egy gén duplikációjához vezethetnek. A hemoglobin globinfehérjéinek génjei például így születtek.

A napjainkban is létező gének azok, amelyek sikeresen tudták örökíteni magukat a múltban. Gyakori, hogy egy adott génnel több egyed is rendelkezik. Ha egy egyed halála elősegíti a többi egyed fennmaradását ugyanazzal a génnel, akkor az egyed halála növeli az adott gén fennmaradási esélyeit is. Ez az alapja Richard Dawkins Az önző gén című könyvében kifejtett elméletének, amely a géneket tekinti az evolúció alapjának, nem a fajokat. Költőiesen: a mi az élet értelme kérdésre adott válasz a gének túlélése és továbböröklődése lehet.

A gének története

A gének létezésének megsejtése Gregor Mendel nevéhez fűződik, aki az 1860-as években borsónövények öröklődését tanulmányozta, és felvetette a szülőkből az utódokba öröklődő tényezők jelenlétét. Habár nem használta a gén szót, megfigyeléseit örökíthető jegyekkel magyarázta. Mendel állította fel a független öröklődés törvényét, ő tett először különbséget a domináns és recesszív jegyek, a heterozigóta és homozigóta, illetve a fenotípus és genotípus között. A gén szót 1909-ben Wilhelm Johannsen használta először.

Az 1910-ben Thomas Hunt Morgan (a Columbia Egyetem genetikusa) kimutatta, hogy a gének meghatározott helyet foglalnak el a kromoszómán. Morgan és diákjai elkészítették az első kromoszómatérképét a Drosophila melanogaster (gyümölcslégy) felhasználásával.

1928-ban Frederick Griffith géneket tudott transzferálni a róla elnevezett kísérlet (Griffith-kísérlet) során. Hővel elölt baktériumokat injektált egészséges egérbe, mely elpusztult köszönhetően a transzferre képes genetikai információnak.

1941-ben George Wells Beadle és Edward Lawrie Tatum bizonyították: a gének mutációi bizonyos anyagcserefolyamatok hibáit okozzák. E felfedezés az (azóta árnyalódott - l. fent) „egy gén – egy enzim” hipotézisként vált ismertté, miszerint egy gén egy enzim kódolásáért felelős. Oswald Avery, Collin Macleod és Maclyn McCarty 1944-ben a DNS információ mivoltát mutatták ki.

A természettudományok történetének egyik legemlékezetesebb felfedezésének számít, amikor 1953-ban James D. Watson és Francis Crick bemutatták a DNS molekuláris felépítését Maurice Wilkins és Rosamund Franklin röntgenkrisztallográfiás eredményeire alapozva. Ezután állították fel a molekuláris biológia központi dogmáját, miszerint a DNS-ről átírt RNS transzlálódásával keletkeznek a fehérjék. Azóta e dogma kivételei is napvilágot láttak, amint a retrovírusok reverz transzkripciós képessége.

Idegen kifejezések magyarázata

1. ^  A transzláció az a folyamat, melynek során az RNS információjából a riboszóma nevű fehérje-RNS komplexumok és a transzfer-RNS által szállított aminosavak segítségével fehérjetermék szintetizálódik.
2. ^  A differenciáció lényege az, hogy a test minden sejtje egyazon sejttípusból, az őssejtekből alakul ki. Az, hogy egy sejt milyen irányban fejlődik, a sejtet körülvevő sejten kívüli állomány anyagaitól függ. Ezek képesek hatni bizonyos gének kifejeződésére, melyek így elkötelezetté teszik a sejtet egy adott fejlődési irányba.
3. ^  A transzkripció a DNS átírását jelenti mRNS-be (messenger, azaz üzenetvivő RNS-be).
4. ^  Egyes vírusok rendelkeznek olyan enzimmel, mely képes RNS-üket a gazdaszervezet DNS-be DNS-ként beleírni. Ezt a folyamatot nevezzük reverz transzkripciónak.
5. ^  A fehérje csak olyan RNS alapján keletkezhet, melynek minden szakasza információt hordoz. Ennek érdekében az intronokat ki kell vágni az mRNS-ből. Ez a folyamat a splicing.
6. ^  Azért van szükség intronokra, mert így az eltérő kivágódások alapján jóval többféle fehérjetermék képződhet, mint ahány gén van egy DNS-en. Az alternatív splicing tehát kulcsszereppel bír az egyedek fehérje-variabilitásában.

Géntérkép

A géntérképezés során a gének egymástól való távolságát, a genomban való viszonylagos elhelyezkedésüket határozzuk meg anélkül, hogy valóban megszekvenálnánk a DNS-t. Amint készen áll a térkép, képesek vagyunk egy ismert gén vagy marker (ismert DNS szekvencia) alapján megmondani egy másik gén helyét a genomban. Ezt olyan módon érik el, hogy az együtt öröklõdõ tulajdonságok gyakoriságát figyelik és ebbõl következtetnek a megfelelõ gének egymástól való távolságára a kromoszómán. A géntérkép nagy vonalakban ábrázolja a gének elhelyezkedését a kromoszómán.

A fizikai térkép viszont az egyes határjelzõk (gének, markerek) közötti távolságot jelzi, a DNS molekula teljes hosszához viszonyítva. Míg az előbbi módszer viszonylagos, a fizikai térképezés valós távolságokat határoz meg.

Ilyen térképeket a DNS ujjlenyomatoknál (fingerprinting) használnak, ahol a restrikciós enzimeket hívják segítségül. Egy ilyen enzim adott bázissorrend felismerése után hasít, adott bázisnál. A genomot darabokra tördelik, azonosítják a töredékeket, majd meghatározzák, hogyan viszonyulnak egymáshoz. Azaz a vizsgált DNS enzimatikus emésztése után, gélelektroforézissel méret alapján válogatják a feldarabolt DNS fragmentumokat. Egy ilyen méret alapján kimutatott mintázat, mint az ujjlenyomat, minden embernél más. A módszert már peres eljárásoknál is törvényes bizonyítékként használják.

Genom

A biológiában egy szervezet genomja a teljes örökítő információt jelenti, amely a DNS-ben van kódolva (egyes vírusokban RNS-ben), beleértve a géneket és a nem kódoló szekvenciákat is. A kifejezést először 1920-ban Hans Winkler, a University of Hamburg, botanikus professzora használta.

Pontosabban, egy szervezet genomja egy kromoszóma készlet teljes DNS szekvenciáját jelenti, például, egy teljes kromoszómakészletet a kettőből, mely a diploid egyed szomatikus sejtjeiben található. A genom kifejezést lehet használni a teljes DNS szekvenciára, vagy egyes organellumok saját genetikai anyagára (l. Mitokondriális genetika, vagy a színtest genetikája). Amikor egy szervezet genomjának szekvenáltságára utalnak, akkor egy testi sejt kromoszómakészletének és az összes ivari kromoszómának a szekvenciáiról beszélnek. A genommal foglalkozó tudományág a genomika, amely eltér a genetikától, hiszen az utóbbi általában egy adott gén funkcióit vizsgálja.

A genomok típusai

A vírusnál bonyolultabb szervezetek általában hordoznak további genetikai anyagot a kromoszómális tartalmukon túl. Egy mikróba például plazmidokban teszi ezt, azaz egy ilyen mikróba megszekvenálása, a plazmidok szekvenciáinak megismerését is jelenti egyben.

A gerincesek, mint az ember, is hordoz többletinformációt, a mitokondriumában, amit azonban nem tekintenek az emberi genom részének. Ezt mitokondriális genomnak nevezik.

A genom és a genetikai variáció

Egy egyed genomjának vizsgálatával nem kapnánk válaszokat a genetikai polimorfizmus által felvetett kérdésekre. Ehhez az egyedek genomjának összehasonlítására van szükség. Ebből következtethetünk, hogy a genom kifejezés nem egy egyed adott szekvenciára, hanem egy egész szekvencia családra utal, melyek biológiai tartalmat osztanak meg.

Ez azt a feltevést vetíti előre, mely szerint nincs olyan alak, mint például a gepárd alakja, hiszen a gepárd variációk is léteznek, úgy ahogy a genomjuk sem teljesen egyforma. Viszont egy egyed és a genomja között vannak egyértelmű megfeleltetések, tehát a genom egyes szekvenciáiból következtetni lehet az egyed bizonyos tulajdonságaira.

Genom projectek

A Human Genom Project a humán genetikai állomány megszekvenálását és feltérképezését tűzte ki célul. Más szervezetek szekvenálása is végbement már: egér, rizs, az Arabidopsis thaliana növény, az Escherichia Coli baktérium. Az ilyen szekvenálási projectek kezdetben hatalmas összegekbe kerültek, ma már egy egyed genomját néhány ezer dollár (US) költséggel meg lehet szekvenálni.

Genom méretek összehasonlítása

Élőlény	Genom mérete (bázispárban)
Vírus, Phi-X174 fág;	5387 - Első megszekvenált genom
Vírus, Lambda phage	5×104
Baktérium, Escherichia coli	4×106
Növény, Fritillary assyriaca	13×1010 - Legnagyobb ismert genom
Gomba,Saccharomyces cerevisiae	2×107
Féreg, Caenorhabditis elegans	8×107
Ízeltlábú, Drosophila melanogaster	2×108
Emlős, Homo sapiens	3×109

Megjegyzés: Egy emberi sejt DNS-e kb. 1,8 méter hosszú.

Genom evolúció

Egy genom a gének és termékeik részletei nélkül is alkalmas egy-egy szervezet tulajdonságainak vizsgálatára. A kutatók a kromoszómaszámot, a genom méretét, gének sorrendjét, kodonhasználatot és a GC-tartalmat is segítségül hívják a genomok variációinak magyarázatához (áttekintésért l .még: Saccone and Pesole 2003; Benfey and Protopapas 2004; Gibson and Muse 2004; Reese 2004; Gregory 2005).

A duplikációk nagy szerepet játszhatnak a genom alakításában. Ez lehet egy tandem módon ismétlődő szekvencia, egy gén, egy kromoszóma vagy a teljes genom megduplázódása. A duplikáció az evolúció egyik eszköze a genetikai diverzitás fenntartásához.

Horizontális géntranszferrel lehet magyarázni a tényt, hogy rendszertanilag igen távol álló szervezetek hogyan rendelkeznek mégis nagyon hasonló szekvenciákkal. Úgy tűnik a mikróbák között a géntranszfer mindennapos. Azonban az eukarióták is képesek erre, pontosabban színtestjükből vagy mitokondriális genomjukból át tudnak vinni géneket a kromoszómáikba.

Genetikai betegség

A genetikai rendellenességet vagy genetikai betegséget egy vagy több gén abnormális kifejeződése okozza, mely klinikai fenotípusban jelenik meg. Egy genetikai defektusnak számos oka lehet:

• A gén funkcióját érintő mutáció.
• Kromoszóma rendellenesség, kromoszómaszám változás.
• Triplet sokszorozódás okozta kromoszóma törékenység, génkifejeződés növekedése miatti funkciónyerés.

A hibás géneket gyakran a szülőktől örököljük. Az ilyen kórképet öröklődő megbetegedésnek nevezük. Ez megtörténhet akkor, ha a szülők hordozók, vagy ha a betegséget okozó gén domináns.

Napjainkban kb. 4000 genetikai betegséget ismerünk, de folyamatosan fedeznek fel újakat. Ezek többsége csak néhány embert érint egy populációban. A cisztikus fibrózis a leggyakoribb, incidenciája (előfordulási gyakorisága) 1:2000-hez, azonban a pontos adat a populáció jellegétől függ.