Prostorna struktura DNKU dvostrukoj zavojnici molekule DNK zapisana jegenetička informacija za kontrolu svih elemenata građe i funkcija ogromne većine živih bića.Lokacija i hijerarhija organizacije i strukture genetičkog materijalaPanetova (Punnett) križaljka ilustrira rezultate ukrštanja dvije sorte graška – heterozigotne za ljubičastu (B) i bijelu (b) bojucvjeta.
Genetika (starogrčki: γενετικός –genetičko, γένεσις =porijeklo)biološka je nauka ogenima i promjenljivosti živih bića kroz prostor i vrijeme, o nasljednim osnovamaživota i njegovogbiodiverziteta – od prvih reproducibilnih molekula – do savremenih i budućih oblika života.[1][2][3][4][5][6][7][8][9] Osnivač savremene genetike jeaustrijski botaničar, matematičar i biologGregor Mendel (1822-84).
Gregor Mendel je krajem 19. stoljeća istraživaoosobinu nasljedstva, tj. obrasce na koji se način osobine roditelja javljaju kod potomstva. Primijetio je da organizmi (biljke graška) naslijeđuju osobine putem diskretnih jedinica nasljeđivanja ili nasljednih faktora. Ovaj termin se i danas koristi, iako je nejasna definicija onoga što se nazivagen.
Nasljedivefenotipskeosobine imolekularni mehanizmi nasljeđivanja gena su i dalje u fokusu genetike 21. stoljeća, ali je moderna genetika proširena i na proučavanje funkcije i ponašanja gena. Struktura, funkcija, varijacija i distribucija gena se proučava u svjetlućelijske biologije,molekularne razine i u kontekstugenetike populacija. Višestran i interdisciplinaran razvoj genetike je doveo do pojave niza grana, o kojima se u početnim fazama razvojaklasične genetike nije moglo ni naslućivati. Jedna od njih je iepigenetika, koja je definirana još polovinom 20. stoljeća, ali (čini se zbog nevjerice) svoj procvat doživljava tek početkom 21. Uključivanjem molekulskihgenetičkih markera novu ekspanziju ostvaruje ipopulacijska genetika posebno u razvoju mjeragenetičke udaljenosti. U ova i ostala istraživanja uključuju se organizmi svih oblikaživota, odbakterija, prekogljiva ibiljaka doživotinja ičovjeka.
Genetičke pojave i procesi se proučavaju u kombinaciji s faktorima životnog okruženja i iskustva, koji značajno utiču na razvoj i ponašanje organizma. Intra- ili ekstra-ćelijsko okruženje organizma može uticati i na transkripciju, uključivanje i isključivanje određenih gena, odnosno vrijeme njihove funkcije tokomontogeneze. Klasičan primjer je dvije sjemenke genetički identičnihkukuruza, kada se jedna biljka uzgaja u umjerenoj klimi, a druga u sušnoj. Iako prosječna visina stabljike ova dva kukuruza može biti genetički određena da budu jednaki, onaj u sušnoj klimi raste samo na pola visine onog u umjerenoj klimi, zbog nedostatka vode i hranjivih tvari u svom okruženju. Slično se dešava i s kloniranim biljkama koje rastu u tako različitim uvjetima ili čak različitim nadmorskim visinama.
Nedavno, 19. marta2015,genetičari su pozvali na zabranu širom svijeta nekih istraživačkih metoda, posebno tzv.Crispr-Cas9 icinkov prst postupaka, koji se koriste za promjeneljudskog genoma, jer u takvim postupcima mogu nastati nasljedne promjene. Tako je razvoj genetike dospio u fazu kada njen napredak treba da usmjeravaju izakonska ietička načela.
Rezultati Mendelovih istraživanja su onovremenoj naučnoj javnosti ostali nepoznati sve do1900, kada su ih "ponovo otkrili" ugledni genetičari onoga doba:Carl Correns,Erich von Tschermak iHugo de Vries i označili kaoMendelova pravila. Po tome je i početna faza razvoja genetike označena kaomendelizam. To ponovno otkriće označava početak burne akceleracije razvoja ovebiološke nauke.[10]
1961 –Genetički kod se sastoji odtripleta; svaki kod ima po tri jedinice ("slova"), a svaka od njih kodira samo po jednuaminokiselinu. Višekodova može imati isti smisao - kodiranje iste aminokiseline
1970 – Otkrivenirestrikcijski enzimi, u studijama na bakterijiHaemophilius influenzae. Oni su omogućili isijecanje ciljanih segmenataDNK i njihovo intraspecijsko i transspecijsko inkorporiranje druge dijelove ili molekule.
1977 –Frederick Sanger svojom originalnom metodom utvrđujeDNK sekvencu bakteriofagaE. coli poznatog pod nazivom Ø X174 (koji sadrži 5 375 nukleotida). Nezavisno od njega, po istom principu,Walter Gilbert iAlan Maxam razvili su svoj metod hemijske degradacije (Chemical degradation method - Maksam-Gilbertova metoda).
Klasična genetika (formalna genetika) oblast je genetike koja proučava pojave i modele nasljeđivanjaindividualnihsvojstava, na osnovu eksperimentalne ili posmatrane distribucije fenotipova u potomstvu mogućih roditeljskih parova. Istražuje tokove gena kroz sukcesivne generacije živih bića i citogenetičke osnove njihove međugeneracijske distribucije.[12][14]
Iako je formalna (klasična) genetika najstarija oblast nauke obiološkom nasljeđivanju, njeni rezultati imaju fundamentalno mjesto i u modernoj genetici. Značajni rezultati istraživanja u ovoj oblasti su postignuti i prijeMendelovih eksperimenata i imenovanjagena i genetike.
Ove zakone je formulirao1865. godineGregor Mendel, a tiču se raspodjele gena i osobina u tri sukcesivne generacijemonohibridnog idihibridnog ukrštanja različitih sorti baštenskoggraška (latinski:Pisum sativum). Roditeljska generacija je označena sP (parentalna), a dvije potomačke sF–1 (prva filijalna) iF–2 (druga filijalna).
Iako se za znalo da se geni nalaze nahromosomima i da se hromosomi sastoje odproteina iDNK, dugo se nije znalo koja je od ovih supstanci odgovorna za nasljeđivanje. Godine1928,Frederick Griffith je otkrio fenomentransformacije, uočivši da su mrtve bakterije mogle prenijeti genetički materijal natransformirane druge žive bakterijeDiplococcus pneumoniae. Šesnaest godina kasnije,1944. godine, Avery, MacLeod i McCarty su identificiraliDNK kao molekulu koja je odgovorna za takvu transformaciju. U Hershey-Chasevom eksperimentu,1952. godine potvrđeno je da je DNK (umjesto proteina) genetički materijalvirusa koji inficiraju bakterije. Također je potvrđeno da je DNKmolekula odgovorna za prenošenjegenetičke informacije.
Hemijsku strukturu i molekulsku konfiguracijuDNK su odrediliJames Watson iFrancis Crick,1953. Polazište im je bio kristalografski rad sa X-zračenjemRosalind Franklin iMauricea Wilkinsa koji je indicirao da DNK ima helikoidnu, tj. dvostruko spiralnu strukturu.[15] Njihov model dvostrukog heliksa je imao dva lancanukleotida s međusobnim vezama između komplementarnih nukleotida, koji se spiralno uvrću.[16][17] Ova struktura je sugerirala da segenetička informacija nalazi u sekvencama nukleotida na svakom lancu nukleotida, tj. polulancu DNK. Ona je predviđala i jednostavan način replikacije ovih makromolekula: kada se polulanci odvoje, svaki od njih, od slobodnih nukleotida ucitoplazmi, rekonstruira komplementarni polulanac. Ova pojava je označena kao semikonzervativna priroda procesa u kojem jedan od potomačkih polulanaca DNK potiče od originalnog roditeljskog.
Kada je bilo poznato da struktura DNK kontrolira procese nasljeđivanja, još uvijek nije bilo jasno kako ona utiče na ponašanje ćelija, odnosno nametaboličke tokove. U narednim godinama, naučnici su pokušali shvatiti kako DNK kontrolira proces sintezeproteina.[18][19] Otkriveno je da DNK u ćelijama ustvari ima ulogu matrice za komplementarnu sintezu informacijskeRNK, (iRNK) – jednolančanog polinukleotidnog spoja – koji ima veoma sličnu građu. Nukleotidna sekvencaiRNK služi za kreiranjeaminokiselinski slijedova u proteinskim lancima. Matrica za prevođenje genetičke informacije s jezika nukleotida na jezik proteina označena je kaogenetički kod.
Nakon novootkrivenih molekulskih modela nasljeđivanja došlo je do prave eksplozije istraživanja u svim oblastima osnovne i primijenjene genetike. Jedan od važnijih poticaja tom razvoju je otkriće mehanizma terminacije molekulaDNK (Frederick Sanger,1977. godine). Ova tehnologija je omogućila čitanje sekvence nukleotida molekule DNK. Godine1983,Kari Banks Mullis je razvioreakciju lančane polimeraze, pružajući brz način izolacije i umnožavanja određenih dijelova DNK iz smjese. NaporiProjekta ljudskog genoma, u Odsjek za energetiku,NIH, i paralelni privatni napor kompanijeCelera Genomics doveli su do sekvenciranja ljudskoggenoma,2003. godine.
Prikaz kojim se objašnjava sekvenca DNK koja sadrži genetičku informaciju
Gen je osnovna materijalna i funkcionalna jedinica genetičkog materijala, odnosno biološkog nasljeđivanja. Čini ga nukleotidna sekvenca koja sadrži genetičku informaciju za sintezu određenogproteina, tj. formiranje određene karakteristike u interakciji sa okolinom. Određeni gen zauzima specifično mjesto na hromosomu –genski lokus. Pojmovefenotip igenotip unauku je uveodanskibotaničar Wilhelm Johannsen (1905), a iz genotipa je izveden gen.[14][20][21][22]
Geni su transkripcijski aktivni dijelovimolekuleDNK, veličine od nekoliko stotina do nekoliko hiljadanukleotidnih parova. Prosječna dužina gena obično se kreće između 600 i 1800 parova nukleotida. Procjenjuje se da lanci ljudske DNK u svakojćeliji sadrže ukupno oko tri milijarde nukleotidnih parova. Dokazano je da određeni dugi, ponavljajući dijelovi, lanacaDNK svih organizama, pa tako i čovjeka, nisu genetički aktivni (repetitivne sekvence). Pored toga, mnoge cjeline genetičke šifre se ponavljaju u manjem ili većem broju molekula DNK i njihovih dijelova. Sveukupnost organizacije i funkcije ljudskog organizma, uključujući sve ono što je osobeno i za ljudsku vrstu i fantastične razmjere individualne različitosti, određuje oko 30.000 gena, što je oko 2% našeg ukupnog genetičkog potencijala. Paradoks između veličine i složenosti kontrole i organizacije ljudskoga genoma ostvaruje se tzv. alternativnimsplajsingom. To je pojava da nekoliko različitih gena (i do 6) zauzima zajedničkiprostor naDNK molekuli (vidi:Bioinformatika).
Na svakom lancuDNK geni su raspoređeni linearno, tj. u jednolinijskom nizu koji isključuje mogućnost preklapanja njihovih dodirnih dijelova (tripleta). Također, stabilno svojstvo svakog gena jeste da on uvijek zauzima isto mjesto, odnosno isti dio molekule DNK. To stalno fizičko mjesto određenog gena označava se kaogenski lokus. DioDNK (gen) koji zauzima taj lokus može biti istovjetan kod svih pripadnika istevrsteorganizama ili se može javiti u dvije ili više varijanti, koje se označavaju kaoaleli (alelogeni, alelomorfi).
Na svakom lancuDNK geni su raspoređeni linearno, tj. u jednolinijskom nizu koji isključuje mogućnost preklapanja njihovih dodirnih dijelova (tripleta). Također, stabilno svojstvo svakog gena jeste da on uvijek zauzima isto mjesto, odnosno isti dio molekule DNK. To stalno fizičko mjesto određenog gena označava se kaogenski lokus. DioDNK (gen) koji zauzima taj lokus može biti istovjetan kod svih pripadnika istevrsteorganizama ili se može javiti u dvije ili više varijanti, koje se označavaju kaoaleli (alelogeni, alelomorfi).
Aleli nastaju promjenom (mutacijom) određenog ishodišnog oblika odgovarajućeg gena ("divlji tip" gena), koji je obično i najčešći. Aleli se međusobno mogu razlikovati samo po jednom ili više parova azotnih baza (ili tripleta), od čega zavise obim i priroda njihovih funkcionalnih razlika. Ako posmatrani gen ima samo dvije varijante, riječ je o alelnom paru, dok se tri ili više varijanti istog gena označavaju kao multipli aleli. Bez obzira da li se javlja u jednom, dva ili više alelnih oblika, jedan gen uvijek kontrolira istuosobinu ili skupinu osobina u čijem nasljeđivanju učestvuje. Naprimjer,ljudskuosobinu "viđenje crvene boje" kontrolira alelni par s genskog lokusa koji je (redovno) smješten na istoj ("svojoj") poziciji DNK spolnoghromosoma X (a stalan je raspored i njemu susjednih lokusa). Jedan od pripadajućih alela određuje normalnu sposobnost viđenja ove boje, dok je drugi "odgovoran" za odsustvo te sposobnosti ("sljepilo za crvenu boju"). Četirikrvne grupeABO sistema (A,B,AB iO) genetički kontrolira jedan gen, čiji se lokus uvijek nalazi na lancuDNK onoghromosoma 9. Taj gen se javlja u tri glavne alelne varijante, tj. ovo svojstvo kontrolirajumultipli aleli.
Svaka normalna ljudska jedinka u svojim ćelijama nosi kompletnu genetičku informaciju svoje vrste, dobivenu spajanjem jajne ćelije i spermatozoida. Prema tome, svako od nas za svaku nasljednu osobinu (izuzimajućispolno vezane) nosi po dva alela, od kojih jedan potječe od oca, a drugi od majke. Ako posmatramo jednu osobinu čije ispoljavanje kontroliraju samo dva alelna gena, pa jednog označimo saA, a drugog saa, možemo zaključiti da se oni javljaju u tri kombinacije (genotipa):AA,Aa iaa. Budući daAA iaa imaju homogenski sastav, označavaju se kaohomozigoti (homo od grč.homois – jednak, isti), dok se heterogenski sastav genotipaAa imenuje kaoheterozigot (grč.heteros – drugi).[11][23]
Općepoznato je da se interakcija alelnih gena manifesuje u fenotipskom ispoljavanju heterozigotnih genotipova. Postoje tri osnovna oblika tog međudejstva:dominantnost–recesivnost,kodominantnost iintermedijarnost.
Veoma je mali broj gena koji učestvuju u kontroli samo jednog svojstva, a izgleda da je još manji broj osobina koje su kontrolirane alelima samo jednog gena. Pojava da jedan gen svojom aktivnošću utječe na formiranje više osobina organizma označava se kaopolifenija (plejotropija gena). Kao izrazit primjer takvog djelovanja može poslužiti složeni skup posljedica aktivnosti gena koji je odgovoran zaanemiju srpastih eritrocita (drepanocitozu). Primarna osobina koju gen uvjetuje je sinteza (nenormalnog) hemoglobina S, čija pojava ima niz lančanih posljedica u mnogim osobinama: srpasti eritrociti, anemija, poremećaj niza vitalnih funkcijasrca,jetre,slezene ikoštane srži,mentalnih sposobnosti itd.
Složenost genetičke kontrole nasljednog dijela promjenljivosti može biti veoma različita; od svojstva koja su pod kontrolom samo jednog gena, manjeg broja ili mnoštva gena. Na osnovu toga, sve osobine možemo podijeliti namonogenske (grč.monos – sam, jedan, jedini),oligogenske (grč.oligo – nekoliko) ipoligenske (grč.poli – mnogo).monogensko ioligogensko nasljeđivanje su posebno karakteristični za kvalitativne osobine, odnosno nasljednu kontrolu alternirajuće promjenljivosti.Poligensko nasljeđivanje (poligenija) se odnosi na najrašireniju pojavu da se razvoj pojedinihfenotipskih osobina ostvaruje uz sadejstvo većeg broja gena. Takve gene nazivamopoligenima, a osobine koje oni kontroliraju označavaju se kao poligenske. Poligensko nasljeđivanje je karakteristično zakvantitativnu (kontinuiranu) promjenljivost. Osnovni oblikinterakcija nealelnih gena|interakcije nealelnih gena u poligenskom skupu je sabiranje (adicija) pojedinačnih, obično malih učinaka svih pripadajući alela u zajednički (zbirni) izraz posmatranog svojstva.[24]
Fenotip – sva mjerljiva ili uočljiva morfološka i fiziološka svojstva organizma nastala kao rezultat interakcije genotipa i okoline. Svojstvo može biti vidljivo kao npr. ravna kosa ili bojacvijeta dok neka svojstva zahtijevaju provođenje posebnih testova da bi ih identificirali, posebno kada je riječ o biohemijsko-fiziološkim i čulnim svojstvima (npr.krvna slika i određivanje krvnih grupa različitih sistema).
Genotip – predstavlja sveukupno biološko nasljeđe jedinke. To je skup svih gena nekog organizma. Genotip neke jedinke nije uvijek vidljiv u fenotipu.
Protein-kodirajuće komponente ljudskoggenoma. kategorizirane prema funkciji svakog produkta (prikazani broj i procenat svih gena).Rane procjene broja gena uljudskomgenomu, na bazi slijeda oznaka, počivale su na mogućnosti da ih ima od 50 do 100 hiljada, dok se današnje procjene kreću oko ~20.000 kodirajućih sekvenci
Nakon realizacije Projekta "Humani genom" (Human Genome Project), sekvencioniranje ljudskog i drugih genoma je pokazalo da je broj gena koji kodirajuproteine mnogo manji (~20 000 –čovjek ,miš ivinska mušica i ~13 000 – valjkasta glista i 46 000 –riža).[25][26] Oveprotein-kodirajuće sekvence čine do 1–2%ljudskog genoma.[27] Veliki dijelovi genoma se transkribiraju uintrone,retrotranspozone i naizgled veliki niz nekodirajućihmolekulaRNK.Ukupni brojproteina (Zemaljskiproteom) je procijenjen na oko 5 miliona sekvenci.[28][29] Interakcija gena podrazumijeva međudejstvo dva ili višegena u realizaciji sinteze jednog i/ili više strukturnih ili enzimskihproteina. Priroda te interakcije bitno zavisi od broja involviranih gena i funkcionalnih relacija među njihovimalelima. Metodološki razlozi sugeriraju potrebu distinkcije dva oblika ovog pojma:interakcija alelnih gena iinterakcija nealelnih gena.
Dominantnost – recesivnost (A1 >A2) rezultira pojavom daheterozigoti (A1A2) imaju istovjetanfenotip kao i dominantnihomozigoti (A1A1), odnosno da se fenotipski ispoljava funkcija samo jednog –dominantnog alela (A1), dok su fenotipski efekti drugog (A2) u recesiji (prikriveni), tj. nezamjetljivi. Mogući fenotipski efektirecesivnog alela su "maskirani" i ispoljavaju se samo u njegovom homozigotnom stanju (A2A2). Pritom je ovaj oblik interakcije najčešće posljedica djelimičnog ili potpunog gubitka sposobnosti recesivnog alela da kodiranje sinteze specifičnog produkta dovede do njenog finalnog oblika (koji je karakterističan za funkciju izvornog – "divljeg tipa" alela).
Panetov (Punnett) kvadrat ilustrira intermedijarnost (nekompletnu dominantnost). U ovom primjeru, crvena boja cvijeta je vezana za aktivnost alelaR pomiješanog sa produktom alelar (za bijelo); heterozigotne biljke -Rr imaju ljubičaste cvjetove
Kodominantnost (A<>A) osobena je varijacija kodominacije dvaju alela nad trećim. Manifestira u pojavi da su heterozigotne jedinke istovremeno obilježene produktima oba prisutna alela; specifična supstanca koju kodira svaki od njih strukturno je istovjetna u oba moguća genotipa.
Intermedijarnost (Nekompletna dominantnost) (A1→←A2) ispoljava se u takvoj alternativnojfenotipskoj varijanti koja ne odražava funkciju nijednog od prisutnih alela, tj. u pojavi osobenog "međufenotipa" – međuproduktaA1 iA2. Najčešće je posljedica nepotpunedominantnosti odgovarajućeg alela.
Penetrabilnost iekspresivnost su fenomeni koji uveliko otežavaju pouzdanu detekciju prirode interakcijealelnih gena.
Penetrabilnost (probojnost) određenog gena izražava se kao relativna učestalost individua istoggenotipa u čijem sefenotipu ispoljava njegova funkcija. Zapaženo je, naime, da se prisustvo odgovarajućegalela u individualnomgenotipu (ponekad) ne ispoljava u fenotipu svih pripadajućih individua.
Ekspresivnost (izražajnost) prisutnog alelogena je izraz i mjera intenziteta njegovog fenotipskog ispoljavanja, koji, ponekad, može varirati u veoma širokom rasponu.[35]
Nealelni geni je pojam koji podrazumijeva mnoge oblike sudejstva alela različitihgena, tj. onih alelogenena koji se ne javljaju na istomgenskom lokusu. Ovaj termin se najčešće upotrebljava u distinkcijiinterakcije gena, budući da u ispoljavanju promatranefenotipske oznake mogu učestvovati aleli jednog ili cijele galaksije gena (lokusa).
Priroda interakcije nealelnih gena bitno ovisi o prirodi varijacije svojstva kojediraju, tj. da li se radi o kvalitativnim ili kvantitativnim svojstvima.Interakcija nealelnih gena obuhvata veoma široku lepezu različitih oblika sudjelovanja genetičkih determinatora sa dva ili (mnogo) više genskih lokusa u formiranju pojedinih kvalitativnih i kvantitativnihfenotipskih svojstava.[36][37]
U kontroli heritabilnog dijela kvalitativne individualne varijecije, interakcija nealelnih gena se ispoljava u nekoliko osobenih oblika, kao što su:koakcija,epistaza–hipostaza,komplementacija,inhibicija i sl.
Koakcija (izvorno poznatija kao interakcija – jedan od ranih primjera interakcije nealelnih gena – u užem smislu pojma) odnosi se na fenomene u kojima geni sa dva ili više lokusa kontroliraju formiranje istog svojstva. Registrira se na osnovu nezavisnog razdvajanja gena u F2 generaciji potomaka dvostrukih homozigota. Pritom je jedan roditelj dominantni homozigot po prvom, a recesivan po drugom lokusu, dok je drugi recesivni homozigot po prvom, a dominantni po drugom. Tada se u F2 generaciji javljaju četiri fenotipa u omjeru koji je svojstven ishodu dihibridnog ukrštanja: 9 (AB): 3 (Ab): 3 (aB): 1 (ab), pri čemu se posljednji – sa relativnom frekvencijom od 1/16 – nije pojavljivao ni u roditeljskom (P) ni uF1 pokoljenju.
Epistaza – hipostaza je vid interakcije nealelnih gena u kojem dominantni alel jednog lokusa ima snažniju ekspresiju od dominantnog alela drugog gena. Ispoljeni gen je pritom epistatičan, u odnosu na "maskirani" hipostatični gen sa drugog lokusa. Tako, npr., jedna od važećih hipoteza o prirodi nasljeđivanja boje kose počiva na mogućnosti da je ona određena genima sa dva lokusa. Jedan od njih je odgovoran za produkciju tamnog pigmenta (melanina), a drugi za sintezu crvenog pigmenta (karotena). Kada se u individualnom genotipu na oba lokusa istovremeno pojave dominantni aleli (za visoku produkciju odgovarajućih pigmenata), efekti gena za sintezu crvenog pigmenta bivaju potpuno prikriveni tamnim melaninom. Međutim, u kombinacijama sa alelima koji sa odgovarajućeg lokusa kreiraju manje intenzivne nijanse tamnog pigmenta, produkti gena za sintezu crvenog pigmenta postaju vidljivi u osebujnim ekspresijama relacija sa tamnom bojom, učestvujući u komponiranju: kestenjasto–crvenkastih, zlatastoplavih, zlatastocrvenih, jarkocrvenih i drugih tonova riđe kose.
Komplementacija predstavlja genetički fenomen koji zavisi od pune i nadopunjavajuće funkcije dva ili više produktivnih alela (sa dva ili više genskih lokusa). Jedan od primjera ovog oblika interakcije nealelnih gena manifestira se u sintezi imunoglobulina, čija molekula nastaje integracijom polipeptidnih (lakih i teških) lanaca, kodiranih sa dva nezavisna genska lokusa.
Adicija podrazumijeva sumiranje pojedinačnih fenotipskih efekata nealelnih gena određenog genotipa. Tako se, npr., pretpostavlja da, u izvjesnim konstelacijama, produkti viralnih (v–onc) i ćelijskih onkogena imaju zajedničke (zbirne) kancerogene efekte.
Duplikacija je sumiranje (udvostručavanje) fenotipskih efekata nealelnih gena koji se javljaju u dvije kopije (duplikanata), a učestvuju u determinaciji istog svojstva. Npr., hemoglobini su građeni od nekoliko lanaca: α, β, γ i δ, koji su vjerovatno nastali jedni od drugih. Lanci β i δ, a vjerovatno i γ su blisko vezani, što sugerira porijeklo "tandemske" duplikacije. Moguće da je translokacija razdvojila izvorno susjedne dupikante s obzirom da geni koji kodiraju α i β lance nisu vezani.
Supresija je oblik interakcije nealelnih gena koji se očituje u odsustvu fenotipske ekspresije alela određenog genskog lokusa, uslijed djelovanja alela nekog drugog lokusa. Tako su, npr. tumor–supresorsorski geni uključeni u razvoj nekih familijarnih kancera. Heterozigoti, koji nasljeđuju defekt u po jednoj kopiji svakog gena, imaju mnogo izraženije predispozicije za razvoj različitih formi kancera, što je u mnogim slučajevima posljedica gubitka ili inaktivacije normalnih kopija gena u somatskim ćelijama.
Teorijski gledano, pomenuti oblici i njihove modifikacije, u ovoj kategoriji interakcije nealelnih gena, određuju sljedeće omjere fenotipova u F2 generaciji mogućih reproduktivnih parova:
Fenotipska ekspresija nasljedne komponente ukupne varijacije određenog kvantitativnog svojstva determinirana je djelovanjem više gena (poligena –poligensko nasljeđivanje). Osnovni oblik interakcije nealelnih gena u odgovarajućoj poligenskoj seriji je adicija pojedinačnih – obično malih – efekata alelnih varijanti uključenih lokusa. Ova konstatacija se podjednako odnosi na genetičku kontrolu tipičnih kvantitativnih svojstava kao i na količinske odrednice karaktera u kojima određeni kvantiteti (ili njihove kombinacije) prelaze u (konvencionalne) kvalitete, tj. na tzv. pražna ("threshold") kvalitativna svojstva. Međutim, treba istaknuti da se u svim varijantama svojih aplikacija poligenska teorija bavi nasljednom determinacijom metričkih i merističkih karaktera. U literaturi se relativno često susreću primjeri koji u poligenske osobine svrstavaju sve komponente individualnog fenotipa kontrolirane genetičkim determinatorima sa dva ili više lokusa. Ta činjenica zahtijeva nešto konkretnije razmatranje problema prepokrivanja pojmova (i pojava) oligogenskog i poligenskog nasljeđivanja. Teorijski gledano, poligenska serija može da sadrži od dva lokusa do (gotovo) beskonačno mnogo gena. S druge strane, pod oligogenskim nasljeđivanjem se podrazumijeva pojava genetičke kontrole pojedinih fenotipskih svojstava malim brojem genskih lokusa, uz obavezno prisustvo "major" gena uoligogenskom bloku. Pošto je utjecaj negenetičkih činilaca i "minor" gena iz odgovarajuće serije nafenotipsko ispoljavanje ovakvih osobina gotovo beznačajan, one se obično tretiraju kaomonogenske.[22]
(Supra)molekulska organizacija nasljednog materijala
MolekuliDNK igeni nisu haotično razasuti po protoplazmi, nego su precizno ugrađeni u više organizacione i funkcionalne strukture – hromosome. Skup svih hromosoma jedne ćelije je njenahromosomska garnitura. Stalnost i ponovljivost najbitnijih numeričkih, morfoloških i strukturnih svojstava hromosoma i njihovih garnitura, osnova su funkcionalne cjelovitosti organizma i međugeneracijskih veza organske vrste kojoj pripadaju. Zato se ta i druga stabilna svojstva hromosomske garniture opravdano smatraju "ličnom kartom" svake vrste živih bića. U tom genetičkom "dokumentu" je zapisan ne samo ukupni program njenih bioloških posebnosti, nego i podaci o "osobenim znacima" svake pripadajuće individue. Drugim riječima, sastav hromosomske garniture s obzirom na broj, veličinu, oblik i sadržaj hromosoma, temelj je genetičke posebnosti i prepoznatljiva konstanta ljudske vrste.
Hromosomi (grč. chroma = boja, soma = tijelo) osnovni su i glavni sastojci jedra. Pod svijetlosnim mikroskopom su vidljivi i pojedinačno raspoznatljivi samo u toku ćelijske diobe, posebno ako se oboje određenim prijemčivim bojama (po čemu su i dobili ime). Sadrže oko 15% DNK i oko 70% kratkolančanih proteina (histoni), dok ostatak čini RNK. U kompletnom sastavu (prije ćelijske diobe) svaki hromosom je sastavljen od dvije uzdužno priljubljenehromatide. Uzdužnu osnovu svake hromatide čini hromonema – nukleoproteinska nit, građena od pripadajuće molekule DNK i proteina. Ona je mnogostruko spiralizovana, namotana i izuvijana, što omogućava da u relativno malu zapreminuhromosoma stane na hiljade puta duža molekula DNK. Zahvaljujući tome, sve molekule DNK u jednoj ljudskoj ćeliji ukupne dužine od gotovo 2 m (oko 174cm), ugrađene su u svega 46 hromosoma. Svaka od dvije "sestrinske" hromatide istog hromosoma sadrži po jednu identičnu kopiju iste molekuleDNK nastale u nizu ćelijskih dioba, od začeća (zigota) do odraslog organizma. U toku ćelijske diobe hromatide se razdvajaju i svaka od njih se u novonastalim "kćerima" ponovo udvostručava, kompletirajući tako polazni dvohromatidni sastav hromosoma. U svim narednim ćelijskim diobama opisani ciklus se precizno ponavlja: dvohromatidnihromosom –mitoza – jednohromatidni hromosom – duplikacija – dvohromatidni hromosom. Oblik i veličina svakog hromosoma se mjenjaju tokom ciklusa ćelijske radljivosti, što posebno ovisi o stupnju spiralizacije i kondenzovanosti hromoneme, ali i od svojstava njegovih ostalih organizacionih struktura. Spiraliziranost (izuvijanost) hromosoma se povećava, a njihova dužina opada od interfaze ka metafazi, od koje ka novoj interfazi napreduje proces despiralizacije, odnosno izduživanja. Na osnovu toga, na obojenim preparatima hromosomi se uočavaju kao izuvijane niti (profaza), a mogu biti i štapićasti (metafaza) ili potkovičasti (anafaza). Pored hromoneme, u fizičkoj organizaciji hromosoma pod običnim svjetlosnim mikroskopom može se raspoznati još nekoliko njegovih funkcionalnih dijelova, kao što su:primarno suženje u kojem jecentromera sakinetohorom,sekundarno suženje,satelit (sa drškom),heterohromatin i završni region ilitelomera.
Sve poznate pojave i procesibiološkog nasljeđivanja počivaju na osobenostima strukture i funkcijenukleinskih kiselina. To su složene organske tvari velikih lančanih molekula –polimeri (makromolekule) – sastavljene od niza karika (monomera), koje se nazivajunukleotidi. Molekule nukleinskih kiselina sadrže mnoštvo nukleotida (tj. one supolinukleotidi); u jednom molekulu može ih biti i na desetine hiljada, što nukleinske kiseline svrstava u kategoriju najkrupnijih bioloških makromolekula. Nukleotidi nisu jednostavne građe; svaki od njih se sastoji od tri komponente:dušična baza,pentoza ifosfatna grupa – ostatakfosforne kiseline, nastao njenom ugradnjom u ovaj složeni spoj, dajući mu kiselinski karakter. Prema strukturi nukleotida, odnosno građi i funkciji polimera koje oni tvore, razlikujemo dva osnovna tipa njihovih jedinjenja; to sudezoksiribonukleinska (DNK) iribonukleinska (RNK) kiselina.[14][20][21][22][37][38][39]
Nukleinske kiseline su složene organskemakromolekule koje učestvuju u pohrani, prijenosu i ekspresiji genetičke informacije. To su linearnipolimeri koji se sastoje od različitihnukleotida, odnosno monomera. Svaki nukleotid se sastoji od tri komponente:
Nukleotidi su međusobno povezani prekofosfatne grupe. Do uspostavljanja tzv.3', 5' fosfodiesterske veze dolazi reakcijom kondenzacijehidroksilnih grupa na suprotnim krajevima nukleotida. Sinteza zahtijevaenergiju (nukleotidi u reakciju stupaju kaonukleozid-trifosfati) i informaciju (genetski određeni slijed koji čini postojeća molekula DNK). Nukleotidi se prepoznaju po principu uparivanja baza i vežu s obzirom na poredakkomplemenata u predlošku.
Prema strukturi nukleotida, odnosno građi i funkciji polimera koje oni tvore, razlikujemo dva osnovna tipa njihovih jedinjenja; to su:
dezoksiribonukleinskaDNK- sadrži petougljični šećerdezoksiribozu, nosilac je genetičke informacije ujedru i reproducibilnim citoplazmatskim strukturama, može da sadrži i do 250 miliona nukleotidnih parova;[41] i
ribonukleinskaRNK kiselina - sadrži petougljični šećerribozu; učestvuje utranskripciji itranslaciji genetičke informacije tokom sintezeproteina; ne sadrži više od nekoliko hiljada nukleotida.[41] Prema specifičnosti svoje funkcije razlikujemo sljedeće tipov RNK molekula:
iRNK (eng. mRNA,glasnička RNK) – učestvuje u transkripciji genetičkog koda u jedru, prolaskom kroz jedrovu membranu ucitoplazmi učestvuje u procesutranslacije;
rRNK (ribosomska RNK) – uzribosomske proteine predstavljaju gradivne komponenteribosoma, organela na kojima se odvija sinteza proteina (translacija);
Razmnožavanje ili reprodukcija (prokreacija, propagacija)biološki proces je u kojemroditeljske jedinke stvarajupotomstvo. Razmnožavanje je fundamentalno svojstvo sistema koji su poznati kaoživot. Ukratko, razmnožavanje je jedna od temeljnih diferencijalnih odrednica između žive i nežive supstance. Iako neki kristali također imaju sposobnost umnožavanja, za razliku od njih, živa bića ostvaruju samoobnovljivo i samoregulatorno autonomno potomstvo. Tako ostvaruju međugeneracijski genetički kontinuitet pripadajućevrste. Svaki pojedinačniorganizam postoji kao rezultat razmnožavanja. Postoje dva oblika reprodukcije:
Spolna reprodukcija obično zahtijeva seksualnu interakciju dvaorganizama ili njihovihgameta.U aseksualnoj reprodukciji, svaki organizam se može razmnožiti i bez učešća drugog organizma. Ovakva reprodukcija nije ograničena samo na jednoćelijskih organizme. Ikloniranju organizma je oblik bespolne reprodukcije. Bespolnom reprodukcijom organizam stvara svoje genetički slične ili identične kopije. Spolna reprodukcija je obično praćena spolnom interakcijom dvajuorganizama iligameta iste vrste, po jedan od svakogspola, a za proizvodnju potomačkih organizama čije su genetičke karakteristike izvedene od svojstava oba roditelja.
Ekspresija gena je proces kojim se informacija izgena prepisuje i prevodi u funkcionalni genski produkt. Ovi proizvodi su običnoproteini, ali i ne-proteinski kodirajući geni, kao što sutRNK ili snRNK (mala nuklearna RNK), proizvodi su funkcionalneRNK. Proces ekspresije gena je svojstven svim poznatim oblicimaživota -eukariota (uključujući i višećelijske organizme),prokariota (bakterija iarchaea), a koje koristevirus - za generiranjemakromolskih sistema za održavanježivotnih struktura i funkcija.[40][43]
Nekoliko koraka u procesu genske ekspresije mogu biti modulirani, uključujući itranskripciju,preradu RNK,translaciju i post-modifikaciju proteina.
Regulacija ekspresije gena dajećeliji mogućnost kontrole nad strukturom i funkcijom, a to je osnova za ćelijsku diferencijaciju,morfogenezu i svestranuprilagodljivost bilo kogorganizma.
Genska regulacije može biti i osnovaevolucijskih promjene, jer kontrola nad vremenom , mjestom i količinom ekspresije gena može imati dubok utjecaj na funkcije gena u ćeliji ili u višećelijskim organizmima.
U genetici, ekspresija gena je najfundamentalnija razina na kojojgenotip utiče na formiranjefenotipa.Genetički kod izmolekulaDNK interpretira se putem genske ekspresije, čije osobenosti, u interakciji saepigenetičkom i vanjskom sredinom, formirajuindividualnifenotip. Takvi fenotipovi su obično izraz sinteze proteina koji kontroliraju građu i funkciju organizma, odnosno djeluju kao njihovi regulatori –enzimi, koji kataliziraju specifične metaboličke puteve karakterizacije organizma.[31][33][34][44]
Ilustracija egzona i introna u pre-iRNK i formiranje zrele iRNK putem prerade (splicing). UTR su nekodirajući dijeloviegzona na krajevima iRNKmolekule.
Prerada RNK, eng.splicing = srastanje (egzona), najznačajnija je post-translacijska modifikacija primarnog transkripta i zrenjaiRNK.
To uključuje 5'"kaptažu", koja je uređenaenzimskim reakcijama koje dodaju 7-metilguanozine (m7G) na 5' kraj pre-iRNK i na taj način štite RNK od degradacije putemegzonukleaza. Tako je7G kaptažni faktor tada vezan u heterodimer (CBC20/CBC80), koji pomaže iRNK ilaz ucitoplazmu i štiteRNK od dekaptaže
Druga modifikacija je 3 otkrivanje ipoliadenilacija. Ako je poliadenilacijski signal (5'AAUAAA-3 ') prisutan u pre-iRNK signal, obično se javljaju između sekvenciproteina i terminatora. Pre-iRNK se prvo rascijepi, a zatim se niz ~ 200adenina (A) dodaje da formiraju poli (A) rep, koji RNK štiti od degradacije. Poli (A) rep je vezan više zaproteine (PABP) neophodne za eksport iRNK i ponovno pokretanjetranslacije.
Većina eukariotskih pre-iRNK sastoji od naizmjeničnih segmenata zvanihegzoni iintroni. U procesu prerade, RNK-protein katalizirajući kompleks poznat kaosplajsosom, koji katalizira dvije trans-esterifikacijske reakcije,koe uklanjaju intron i oslobađaju ga u obliku omčaste (laso) strukture, a zatim uvezuju susjedne egzone. U određenim slučajevima, neki introni ili egzoni mogu biti uklonjeni ili zadržani u zrelim iRNK. Ova takozvana alternativna prerada (splicing ) stvara niz različitih transkripata porijeklom iz jednog gena, jer te transkripte potencijalno može prevesti u različite proteine, čime prerada proširuje složenost ekspresijeeukariotskih gena.
HromosomE. coli se sastoji od kružne molekuleDNK (4,7 x 106 bp) koja kodira nekoliko hiljada različitihproteina, od kojih se samo neki sintetiziraju u određenom momentu. Neki proteini bakterijske ćelije su konstitutivni, tj. sintetiziraju se kontinuirano, nezavisno od trenutnih uslova, dok su drugi inducibilni i njihova sinteza je regulisana u skladu s intracelularnom koncentracijom pojedinih metabolita. Bakterije obično žive u vrlo promjenljivim uslovima, tako da enzimi koji su ćeliji potrebni u jednom trenutku ubrzo mogu postati suvišni, a iznenada se može pojaviti potreba za nekim drugim enzimima.Genombakterija je organizovan tako da omogućuje veliku fleksibilnost u pogledu ekspresije pojedinih gena. Bakterija može da odgovori na promjene uslova veoma brzo, sintezomenzima koji su joj u datom trenutku neophodni, i prestankom sinteze onih za koje trenutno nema supstrata. Skoro kompletna regulacija ekspresije gena kodbakterija se odvija na nivou transkripcije. Geni bakterija su grupisani tako da se jedan do drugog nalaze oni koji kodiraju funkcionalno povezaneenzime, najčešće enzime jednogbiohemijskog puta. Cijeli set takvih gena sadrži samo jedan promotor i transkribuje se kao jedna transkripciona jedinica, aiRNK je policistronska. Set gena koji predstavlja jednu ekspresionu jedinicu, tj. uključuje strukturnegene i elemente koji kontrolišu njihovu ekspresiju, nazvan je operonom. Takva organizacija genoma omogućuje efikasnu i koordinisanu regulaciju seta gena, interakcijom između regulatornogproteina i zajedničkog promotora. Indukcija sinteze pojedinih enzima je veoma brza (obično traje samo nekoliko minuta) zahvaljujući i tome što su procesi transkripcije i translacije spregnuti.Translacija započinje na 5'-krajuiRNK čija je sinteza još u toku. Bakterijske iRNK su kratkoživeće, degradiraju već 1-3 minute poslije transkripcije čime se izbjegava sinteza onih proteina koji ćeliji više nisu potrebni. Osnovna saznanja o mehanizmima putem kojih se kontroliše aktivnost pojedinih gena u bakterijskim ćelijama pružila su ispitivanja regulacije sinteze inducibilnihenzima.
Krpasta obojenost mačke je rezultat različiteekspresivnosti gena zapigmentaciju na različitim površinama kože.Lambda repressor – transkripcijski faktor (zeleno) veže se kao dimer za dvostruki heliksDNK (crveno i plavo) i onemogućuje iniciacijutranskripcije (Iz:PDB1LMB).Trodimenzijska struktura (zeleno fluorescentnog)proteina. Rezidue u centru su odgovorne za produkciju zelenog svjetla nakon izlaganja visoko energetskom plavom svjetlu (Iz:PDB1EMA).
Regulacija transkripcije laktoznog operona - negativna kontrola
Prvi model regulacije ekspresije gena kod bakterija predložili su Jacob i Monod 1961. godine, na osnovu izučavanja sinteze enzima koji su uključeni u razgradnju laktoze kod bakterijeE. coli. U bakterijskomgenomu se nalaze tri strukturna gena (lacZ,lacY ilacA ) koji kodiraju glavne enzime za razgradnju laktoze:0-galaktozidazu (katalizuje razgradnju laktoze do glukoze i gataktoze),P-galaktozid permeazu (omogućava transport laktoze kroz plazma membranu) iP-tiogalaktozid acetil-transferazu (fiziološka uloga joj nije utvrđena). Ova tri gena čine jednu transkripcionu jedinicu, tzv. laktoznioperon (lac operon) čiji se promotor (lacP) nalazi uzvodno od genalacZ. Uzvodno od promotora smješten je regulatornigen (lac-1) koji predstavlja zasebnu transkripcionu jedinicu (ima svoj promotor) i transkribuje se u monocistronsku iRNK. OvaiRNK kodira protein koji ima ulogu represora transkripcijelac operona.
U toku ispitivanja mehanizma regulacije transkripcijelac operona, izolovan je i prečišćen laktozni represor (lac++ represor) –protein koji se vezuje za niz nukleotida nazvan operator. Ovaj niz sadrži 21 bp i prisutan je u genomuE. coli u samo jednoj kopiji, a lociran je unutar promotorskog regionalacP. Laktozni represor je tetramer koji ima visok afinitet prema operatoru (lacO). Kada se represor veže za operator, on blokira pristupRNK polimerazi i sprečava transkripciju strukturnih gena vezanih za taj promotor. S druge strane, represor ima i vezivno mjesto zašećer alolaktozu (izomerD-laktoze koji je ućeliji prisutan onda kada je prisutna ilaktoza). Kada koncentracija alolaktoze u bakterijskoj ćeliji dostigne određeni nivo, ona se vezuje za represor, izazivajući njegovu alosteričnu promjenu, usljed koje slabi njegov afinitet prema operatoru, tako da represor disocira sa operatora. Sada jetranskripcija gena ponovo omogućena. Ova pojava se naziva derepresija, a ovakav vid kontrole, zasnovan na konformacionoj promjeni represora izazvanoj vezivanjem šećera, je alosterična kontrola. Kao rezultat derepresije, ćelija počinje da sintetiše enzime neophodne za razgradnju laktoze. Kada se razgradi sva prisutnalaktoza, a u ćeliju iz okoline ne dospijeva nova, represor se ponovo vezuje za operator i sprečavatranskripciju strukturnihgena lacoperona. Prema tome, bakterija sintetiše enzime za razgradnju laktoze samo onda kada je laktoza (odnosno alolaktoza) prisutna u ćeliji, a ne i onda kada je nema.
Do sada su poznati mnogi slični primjeri kontrole transkripcije. U svim ovakvim slučajevima, specifičan ligand (kao alolaktoza), koji se nazivainduktor, biva prepoznat od strane represora koji imaju visok afinitet premaoperatorima. Vezivanje induktora zarepresor "uključuje"transkripcijsku jedinicu u blizini operatora, slabljenjem veze između represora i operatora. Međutim, poznati su i primjeri kada vezivanje induktora za represor dovodi do takve alosterske promjene represora usljed koje se njegov afinitet prema operatoru povećava, a transkripcijska jedinica ostaje "zaključana". Znači, u nekim slučajevima, kao što jelac operon, povećana koncentracija induktora stimulira, dok u drugim slučajevima inhibiratranskripciju gena. lpak, u oba slučaja radi se o istom regulatornom mehanizmu, jer se u oba slučaja transkripcija odvija u odsustvu regulatornogproteina (represora), a ne odvija u njegovom prisustvu. Zato se ovakav tip kontrole nazivanegativna kontrola.
Regulacija transkripcije laktoznog operona - pozitivna kontrola
Alternativa negativnoj regulaciji je pozitivna kontrola, tj. regulacijatranskripcije aktivatorima. Neke transkripcione jedinice u genomu E. coli imaju relativno slaba mjesta za vezivanjeRNK polimeraze (tzv. slabe promotore), pa je vezivanje ovog enzima moguće samo uz pomoć proteina aktivatora koji se vezuju zaDNK u neposrednoj blizini RNK polimeraze.
"Jačina", tj. efikasnost promotora zavisi od redoslijeda nukleotida u karakterističnim, evolutivno očuvanim dijelovima promotorskog regiona od kojih se jedan nalazi 10, a drugi 35 nukleotida uzvodno od mjesta na kome počinje transkripcija. Najefikasniji bakterijski promotori na poziciji -10 sadrže nizTATAAT, a na -35 nizTTGACA. Molekula RNK polimeraze se specifično vezuje za niz na poziciji -35, dok onaj na poziciji -10 omogućuje da transkripcija započne na nukleotidu +1. Aktivatori se vezuju za nizove nukleotida koji se nalaze u neposrednoj blizini mjesta za koje se vezuje RNK polimeraza i za razliku od represora, koji onemogućuju vezivanjeenzima, aktivatori to vezivanje olakšavaju. Po svemu ostalom, oni veoma liče na represore. Oni se često vezuju za induktore koji povećavaju ili smanjuju njihov afinitet premaDNK i na taj način "uključuju" ili "isključuju" odgovarajuće transkripcione jedinice. Ovakav način regulacije aktivnosti gena označen je kao pozitivna kontrola, jer setranskripcija odvija samo u prisustvu regulatornogproteina.
Osnovni izvor energije za bakteriju E. coli je glukoza. Kada je u ćeliji prisutna dovoljna količina glukoze, tada je inhibirana ekspresija svih gena koji kodiraju enzime uključene u razgradnju drugih katabolita, kao što su laktoza, arabinoza igalaktoza. Ovaj fenomen je poznat kao represija katabolita, i njime se sprečava nepotrebno dupliranje enzimskih sistema koji učestvuju u produkciji energije. Otkrivanju ovog fenomena prethodilo je zapažanje da je u prisustvu glukoze u bakterijskoj ćeliji koncentracija cikličnog AMP-a (cAMP-a) manja nego u odsustvu glukoze i da se dodavanjem cAMP-a može prevazići represija katabolita izazvana glukozom. Naime, transport glukoze kroz membranu bakterijske ćelije dovodi do defosforilacije jednog enzima koji mora biti fosforilisan da bi aktivirao adenilat ciklazu, tako da unos glukoze u ćeliju uvek dovodi do snižavanja koncentracije cAMP-a.
Nađeno je da bakterija sadrži protein označen kao CAP (od eng. catabolite gene activator protein) iliCRP (od eng.cAMP receptor protein), koji se sastoji od dvije subjedinice i vezujecAMP. VezivanjecAMP-a izaziva veliku konformacionu promjenu ovog proteina, a njegova funkcija je da se u kompleksu scAMP-om vezuje za lac operon (i neke druge operone), stimulišući njegovu transkripciju u odsustvu lac represora. Prema tome,CAP je pozitivan regulator, odnosno aktivator transkripcije lac operona, za razliku odlac represora koji je negativan regulator. Za sada još uvijek nije sasvim jasno na koji način kompleksCAP-cAMP stimuliše inicijaciju transkripcije na slabom promotoru laktoznog i drugih operona. Jedna mogućnost je direktna interakcija ovog kompleksa sRNK polimerazom, a druga je promjena konformacijeDNK u oblasti promotora, koja olakšava inicijaciju transkripcije. U svakom slučaju, ovakav mehanizam regulacije transkripcijelac operona omogućava bakterijskoj ćeliji da u odsustvu glukoze dođe do potrebne energije razgradnjom laktoze, jer kada je koncentracija glukoze u ćeliji niska, koncentracijacAMP-a pa prema tome i kompleksaCAP-cAMP uvijek raste, što dovodi do ubrzane transkripcije lac operona.
Neki regulatorniproteini kod bakterija mogu se vezati na više mjesta ugenomu i izvršiti represiju transkripcije jednogoperona, a aktivaciju transkripcije drugog, što praktično znači da jedan isti protein može imati i ulogu represora i ulogu aktivatora. Način djelovanja regulatornog proteina zavisi od rastojanja između mjesta naDNK za koje se vezuje regulatorniprotein i mjesta za koje se vezujeRNK polimeraza. Ako se ta dva mjesta preklapaju, onda vezivanje regulatornog proteina onemogućuje vezivanje enzima pa protein djeluje kao represor transkripcije. Ukoliko se vezivna mjesta nalaze u blizini, onda vezivanje regulatornog proteina može olakšati vezivanje RNK polimeraze i stimulisati inicijaciju transkripcije pa u tom slučaju protein deluje kao aktivator transkripcije.
Interesantan primjer regulacijetranskripcije, u kome jedan isti protein vrši i pozitivnu i negativnu kontrolu u istom operonu, je regulacija transkripcije arabinoznog operona (araBAD operona)E. coli, koji kodiraenzime za razgradnju L-arabinoze. Transkripciju ovog operona reguliše kompleks CAP-scAMP i protein AraC (produkt gena araC) koji vezuje L-arabinozu. Mehanizam regulacije transkripcije araBAD operona sastoji se u sljedećem:1. u odsustvu proteina AraC,RNK polimeraza započinje transkripciju gena araC, što ima za posljedicu sintezu proteinaAmC. Operon araBAD se nalazi nizvodno od gena araC i njegova transkripcija se tada održava na bazalnom nivou;2. kada je koncentracija glukoze u bakterijskoj ćeliji visoka, tada je koncentracijacAMP-a niska, pa je i koncentracija kompleksaCAP-cAMP, također, niska.ProteinAmC tada sprečava transkripciju araBAD operona (bakterija nema potrebe da razgrađuje arabinozu, jer dovoljno energije dobija razgradnjom glukoze). Situacija je slična i kada u bakterijskoj ćeliji nemaL-arabinoze, jer bakterija nema potrebu za enzimima za razgradnju ovog šećera. ProteinAraC se vezuje za tri mjesta. To su araI1 (nalazi se u okviru promotora araBAD operona), araO1 (nalazi se u okviru promotora genaaraC) iaraO2 (nalazi se u 5' nekodirajućem regionu gena araC). Niz araO1 je operator gena araC i kada se proteinAraC za njega veže, transkripcija genaaraC je blokirana. Da bi transkripcija operonaaraBAD bila onemogućena, proteinAraC mora biti istovremeno vezan i za segmentaraI1 i zaaraO2. Pošto je nizaraO2 veoma udaljen odaraI1, vjerovatno je da se DNK savija u petlju tako da proteinAraC kao dimer ili oligomer može da bude istovremeno vezan za oba ova mjesta, blokirajući transkripcijuaraBAD operona (negativna regulacija);3. kada je u ćeliji prisutna L-arabinoza, ona se kao induktor vezuje za protein AraC, dovodeći do takve konformacione promjene ovog proteina da se on radije vezuje za niz araI2 u promotorskom regionu operonaaraBAD, nego zaaraO2. To dovodi do otvaranja petljeDNK. Ako je istovremeno koncentracijacAMP-a u ćeliji visoka (u odsustvu glukoze), kompleksCAP-cAMP se vezuje za mjesto između araO1 i araI1. Kombinovano dejstvo dva kompleksa (CAP-cAMP iAraC-arabinoza) uključuje njihovu direktnu interakciju i praćeno je aktivacijom RNK polimeraze, koja počinje da transkribujearaBADoperon (pozitivna kontrola). GenaraC ostaje blokiran proteinomAraC, koji ostaje vezan zaaraO1.
Atenuacija je mehanizam kontrole transkripcije kojimbakterija reguliše ekspresiju mnogih operona koji kodiraju enzime uključene u biosintezu aminokiselina. Ovaj mehanizam je bio otkriven kada je izučavana regulacija transkripcije triptofanskog operona (trpoperon) bakterijeE. coli koji kodira pet polipeptida. Ovih pet polipeptida grade tri enzima koji učestvuju u biosintezitriptofana. Ustanovljeno je da se geniL-P operona koordinisano eksprimiraju pod kontrolom trp represora, dimernog proteina koji se sastoji od dvije identične subjedinice.Trp' represor je produkt gena trpR, koji se nalazi u okviru zasebne transkripcione jedinice. On vezujeL-triptofan gradeći kompleks koji se specifično vezuje zatrp operator (trpO) i time 70 puta smanjuje brzinu transkripcijetrp operona. Vezivanjetriptofana za represor dovodi do takve alosterične promjene represora koja omogućuje njegovo istovremeno vezivanje i za operator. Uz to i sam triptofan formira H-vezu s fosfatnom grupom na DNK, tako da učvršćuje vezu između represora i operatora, odnosno djeluje kao korepresor (sprečava sopstvenu sintezu).Trp represor kontroliše transkripciju ne samo trp operona, već još najmanje dva operona:trpR operona i aroH operona (kodira sintezu jednog od tri izoenzima, koji katalizuju biosintezu horizmata, prekursora aromatičnihaminokiselina).
U početku se smatralo da je sinteza triptofana kodE. coli u potpunosti kontrolisana sistemom trp represor-operator. Međutim, nađeno je da nizvodno od trpO postoji još jedan kontrolni element. Ispred prvog strukturnog gena u trp operonu (trpE) nalazi se čeoni niz (trpL) dužine 162 bp i u okviru njega niz dužine oko 30 bp koji ,također, ima ulogu kontrolnog elementa. U odsustvu triptofana, sintetiše se policistronskaiRNK dužine 6720 nukleotida koja obuhvata i čeoni niz trpL. Kada koncentracija triptofana u bakteriji raste, brzina transkripcijetrp operona opada kao rezultat stvaranja kompleksa trp represor-korepresor. MeđuiRNK koje se sintetišu zapaža se povećana proporcija kratkih transkripata dužine oko 140 nukleotida koji odgovaraju 5' kraju trpL niza. To znači da u prisustvu triptofana dolazi do prerane terminacije transkripcije trp operona i zato je kontrolni element odgovoran za ovu pojavu nazvan atenuatorom. Pokazalo se da atenuator sadrži četiri komplementaRNK segmenta koji mogu da formiraju dvije različite intramolekulske zavojnice: između segmenata 2 i 3, odnosno 3 i 4, ali tako da formiranje jedne od njih onemogućava formiranje druge. Segmenti 3 i 4 su bogatinukleotidima G i C, a zajedno s nekoliko uzastopnih U koji slijede, čine normalan terminacioni signal zaRNK polimerazu.
Transkripcija se može nastaviti poslije ovog terminacionog signala samo u odsustvu triptofana. Segment I je karakterističan po tome što sadrži dva uzastopnakodona za triptofan (tandemski kodon). Da bi se razumio mehanizam atenuacijetrp operona, važno je imati na umu da translacija kod prokariota započinje ubrzo pošto se sintetiše 5'-krajiRNK i teče uporedo s transkripcijom. Mehanizam atenuacije se sastoji u tome da RNK polimeraza koja je izbjegla represiju započinje transkripciju. Ubrzo poslije transkribovanja Šajn-Dalgarnovog niza (mjesto vezivanja male ribosomske subjedinice) koji se nalazi u okviru čeonog nizatrpL, ribosom se vezuje za ovaj niz i započinje translaciju. Ako je ućeliji prisutan triptofan, tada su prisutni i kompleksiTrp-tRNKTrp, tako da izaRNK polimeraze napreduje i ribosom preko triptofanskog tandemskog kodona u segmentu 1 atenuatora. Ribosom sprečava da se stvori ukosnica izmedu segmenata 1 i 2, ali je zato favorizovano stvaranje ukosnice između segmenata 3 i 4 koji grade terminacioni signal.Transkripcija se zato prerano završava. Ako u ćeliji nema triptofana, ribosom se zaustavlja na triptofanskom tandemskomkodonu u segmentu 1 atenuatora, očekujući da seTrp-tRNKTrp, koje nema, veže zaA mjesto. Pošto je ribosom zaostao, omogućeno je stvaranje ukosnice između segmenata 2 i 3, a time je spriječeno stvaranje terminacionog signala, tj. ukosnice između segmenata 3 i 4. RNK polimeraza tada nastavlja transkripciju duž cijelog operona, sintetišući policistronskuiRNK koja će poslužiti kao informacija za sintezu enzima neophodnih za biosintezu triptofana.Ovaj regulatorni mehanizam se zasniva na koncentracijiTrp-tRNKTrp u ćeliji, koja zavisi od koncentracije triptofana. Odsustvo triptofana utječe na ekspresijutrp operona na dva načina: uklanjanjem represora, čime se brzina transkripcije povećava oko 70 puta i atenuacijom, čime se brzinatranskripcije povećava još 8-10 puta, tako da transkripcija može biti ukupno ubrzana do 700 puta. Na sličan način je kod bakterija regulisana i transkripcija nekih drugih operona, kao što su his operon (kodira enzime koji učestvuju u biosintezi histidina) i ilv operon (kodira enzime koji učestvuju u biosintezi izoleucina, leucina i valina).[31][40]
Postoje sam dva izvora nasljedne promjenljivosti: to sumutacije, kao genetičke novosti, igenetičke rekombinacije, tj. rearanžmani postojećeg genetičkog materijala.
Mutacija (lat.mutatio – promjena, zamjena) kvalitativna je i/ili kvantitativna promjena u genetičkom materijalu koja nije uzrokovanasegregacijom ilirekombinacijom. Mutacije mogu uzrokovati promjene u pojedinačnim obilježjima (fenotipa). Organizam s mutacijom se nazivamutant.
Promjenljivost nasljednog materijala predstavlja genetičku osnovu sveukupnebiološke raznolikosti u vremenu i prostoru, promatrajućiživi svijet u cjelini i svaku vrstu živih bića posebno. Mutacije su moguće na različitim nivoima organizacije genetičkog materijala. Mutacije, dakle, predstavljaju jedini suštinski izvor nasljedne, individualne varijacije. Nastaju slučajnim promjenama u strukturi i količiniDNK.Mutageneza (proces nastajanja mutacija) može biti (indukcijom ili spontano) izazvana različitimfizičkim,hemijskim ibiološkim faktorima vanjske i unutrašnje sredine, ali efekat mutiranog gena samo slučajno može predstavljati direktan "odgovor" (protuakciju) na odgovarajući mutageni agens.[21][32][45]
Efekti mutacija su manje ili višefenotipski vidljivi, zavisno od promjenljivosti, jer se javljaju kao posljedica materijalnih promjena uhemijskoj strukturi i kvantitetu genetičke informacije, tj. dezoksiribonukleinske kiseline (DNK). Sve ostale pojave i oblici nasljedne varijacije rezultat su rearanžmana (rekombinacija) postojećeg genetičkog materijala ili različitih efekata njegove interakcije s unutrašnjom i vanjskom sredinom.
Od količine zahvaćenog genetičkog materijala i njegovog značaja za normalnu organizaciju i funkcijuorganizma ili njegovih pojedinih komponenata, odnosno od prirode interakcije novonastalog alela s postojećim alelnim varijantama mutirajućeg gena (recesivna mutacija) se, npr. ispoljava samo u homozigotnom stanju). Poznato je, naime, da krupne mutacije (makromutacije) po pravilu imaju upadljive, najčešće (sub)letalne efekte. Međutim, čak i izmjena samo jedne azotne baze u lancuDNK (mikromutacija) može u značajnoj mjeri izmijeniti strukturu, a naročito funkcijuproteina čiju sintezu kontrolira njen zahvaćeni segment (gen). Tako se, naprimjer, izmjenom samo jedne aminokiseline na šestoj poziciji u beta–lancuhemoglobina (valin –glutaminska kiselina), umjesto normalnoghemoglobina A (čiju sintezu šifrira alel HbA), javila patološka varijanta krvnog pigmenta –hemoglobin S (kontrolirana alelom HbS).[22][34]
Prema efektima na adaptivnu vrijednost, mutacije mogu biti korisne, štetne ili neutralne. Imajući u vidu činjenicu da svaki specifičnigenom (pa i ljudski) predstavlja evolutivno izbalansiranu cjelinu, postaje jasno zašto su korisne mutacije uistinu prava rijetkost. I pored toga, ukoliko ih podržava prirodno odabiranje, njihovo prisustvo u populaciji postaje sve uočljivije. Generalno uzevši (živi svijet u cjelini), s obzirom na količinu i poziciju zahvaćenog genetičkog materijala, mutacije mogu bitigenske,hromosomske,genomske i plazmatske (ekstranuklearne)mitohondrijske iplastidne).
Genske mutacije zahvaćaju pojedinačne gene po čemu su i dobile naziv. One nisu vidljive pod mikroskopom. Obično se dijele na autosomne i heterosomne genske mutacije s obzirom na kojim se hromosomu nalazi mutirani gen. Nastaju izmjenom u hemijskoj strukturi funkcionalne sekvence DNK, koja zauzima određeni genski lokus i kontrolira odgovarajuće funkcije, odnosno osobine organizma. Prema prirodi interakcije sa postojećim genima istog lokusa, novonastali aleli mogu biti dominantni, recesivni ili među njima nema odnosa funkcionalne dominacije. Suglasno konvencionalnim kriterijima, novonastali mutanti se mogu označiti kao:izomorf,amorf,hipomorf,hipermorf,neomorf iantimorf, pri čemu prefiksi ovih odrednica označavaju prirodu i smjer mutiranja funkcije ishodišnog alela ("divljeg tipa").
Stroga pravila komplementarne autoreprodukcije genetičkog materijala, na kojima inače počiva stabilnost i ponovljivost karakterističnih osobina svih živih bića, u relativno rijetkim slučajevima bivaju narušena. Tako, npr. prilikom duplikacije nekog polu-lanca DNK, za jedan od adenina može se pogrešno vezati citozin, pa umjesto normalnog para A–T nastaje neočekivani A–C. Kada je riječ o polaznom polu-lancu (s adeninom), već nakon prve diobe promatrane molekule DNK, u procesu njegove duplikacije, ta greška će biti ispravljena i sve njegove naredne kopije će na pogođenom mjestu imati normalni A–T par nukleotida. Međutim, polu-lanac s pogrešno ugrađenim citozinom će se u prvoj normalnoj duplikaciji vezati s prirodno komplementarnom bazom guaninom u par C–G, koji nije karakerističan za datu poziciju u izvornom lancu DNK. Time se mutacija stabilizira, a novi par ponavlja u nizu narednih kopija izmijenjene DNK. Genske mutacije su, prema tome, posljedica greške u kopiranju (duplikaciji) lanaca DNK. Promjena samo jednog para nukleotida u zahvaćenom genu može imati krupne posljedice u njegovoj funkciji.
Mutabilnost pojedinih gena uveliko varira, a u prosjeku iznosi oko 10−5 (jedna mutacija na 100.000 gameta). Ta naoko zanemarljiva frekvencija, međutim, postaje impozantna u svjetlu podataka o ukupnom broju genskih lokusa u ljudskom genomu – rezultati sekvenciranja ljudskog genoma pokazali su da se taj broj kreće do 30.000. Uvažavajući pomenute činjenice, lahko se može proračunati (3 x 104 x 10−5) da svaki treći čovjek (30%) potencijalno nosi najmanje jednu svježu mutaciju.
Hromosomske mutacije zahvataju hromosome i vidljive su pod mikroskopom. Razlikuju se numeričke i strukturne promjene u pojedinim parovimahomologa uhromosomskoj garnituri.
Numeričke hromosomske mutacije predstavljaju pojedine oblikeaneuploidije:nulisomiju (nedostatak oba homologa),monosomiju (nedostatak jednog homologa),trisomiju (jedan homolog više) i teorijski moguće stepenepolisomije (kvadrisomija itd.).Strukturne hromosomske mutacije se pak ispoljavaju kao nedostatak (delecija –deficija) ili višak (duplikacija) jednog dijela nekog hromosoma. U ovoj kategoriji mutacija relativno su česte i pojave nenormalnog rasporeda pojedinih dijelova unutar hromosoma (transpozicija) ili njihovog premještanja na neki drugi hromosom (translokacija), te obrtanja pojedinih segmenata hromosoma (za 180° –inverzija), što rezultira obrnutim rasporedom lokusa na mutiranoj sekvenci.[46]
Plazmatske mutacije (plazmamutacije, vanjedarne mutacije) posebna su kategorija mutacija. Za razliku od genskih, hromosomskih i genomskih, koje se događaju ujedru – odigravaju se u citoplazmatskim nosiocima genetičkog materijala (kao npr. umitohondrijalnoj iplastidnoj DNK)[39].
Genetička rekombinacija ili kratkorekombinacija je proizvodnja potomaka sa kombinacijom osobina po kojoj se razlikuju od svojih roditelja. Ueukariota genetičke rekombinacije se dešavaju tokommejoze putem,spolnereprodukcije, dajući setgenetičke informacije koja se mogu dalje nasljedno prenositi od roditelja na potomstvo, u nizu generacija posmatranevrsteorganizama. Većina rekombinacije se javljaju u prirodi. Tokom mejoze u eukariota, rekombinacije uključuje uparivanjehomolognih hromosoma. To može biti praćeno razmjenom informacija između hromosoma. Ta razmjena se može desiti i bez fizičke razmjene (a dio genetskog materijala se kopira iz jednog u drugi hromosom, bez doniranja i razmjene dijelova hromosoma) (vidi SDSA put na slici); ili lomljenja i ponovnog spajanjaDNK lanaca, koji čini nove molekule DNK. Rekombinacija se može pojaviti i tokommitoze eukariota, što obično uključuje dvije sestrinske hromatide formirane nakon hromosomskih replikacija. U ovom slučaju, nema novih kombinacijaalela jer su sestrinske hromatide obično identične. U mejozi i mitozi, rekombinacije se javlja između homolognih dijelovahromosoma, odnosnomolekulaDNK. U mejozi, nesestrinske hromatide homolognih hromosoma se međusobno uparuju, tako da se rekombinacije dešava između nesestrinskih sudionika konjugacije hromosoma. U oba meiotic i mitotska ćelija, rekombinacije između homolognih hromozoma je zajednički mehanizam koji se javlja uDNK reparaciji.[32][44]
Genetički rekombinacije i rekombinantnaDNK reparacija također se javlja i kodbakterija iarchaea, koje imaju aseksualnu reprodukciju.
Rekombinacija se može inducirati i u laboratoriji, podešavanjemin vitro, producirajući rekombinantnuDNK za različite potrebe koje uključuju i proizvodnju vakcina i medicinskih preparata.
Tokom mejoze, genetičkim rekombinacijama obično prethodi formiranje sinapsi (uparivanje homolognih hromosoma).
Rekombinacije sukatalizirane putem mnogih različitihenzima. Rekombinaze su ključni enzimi koji kataliziraju sve faze transfera lanaca tokom rekombinacije.RecA, glavna rekombinazaEscherichia coli, odgovorna je za popravak DNK dvostrukog lanca. U kvasca i drugih eukariotskih organizama, postoje dvije rekombinaze, potrebne za popravak dvostrukih lanaca.RAD51protein je potreban zamitotska imeiotske rekombinacije, dok je popravakDNK odgovoran jeDMC1 gen koji kodira specifični proteine za mejotska rekombinacije. Uarchaea, ortolog bakterijskeRecA proteina jeRadA.
Selekcija, u kontekstuevolucije, favoriziranje je ili eliminiranje određene osobine ilialela unutarpopulacije. Ovajfaktor evolucije omogućava da određenifenotipovi imaju tendenciju da budu reprodukcijski uspješniji, što znači da ostavljaju više potomaka i svojihgena u narednu generaciju nego što rade drugi. Kada ove osobine imaju genetičke osnove, odabir može povećati njihovu prevalenciju jer potomci će naslijediti gene koji kontroliraju osobine njihovih roditelja.[52][53]
Dugotrajna pozitivna selekcija jednog alela, neminovno vodi ka smanjenju učestalosti ostalih u populaciji i – u konačnici – do potpune eliminacije drugog ili drugih. Brzina eliminacije zavisi od snage selekcijskog pritiska,interakciji alelnih gena,heterozigotnosti, vezanosti pogođenihlokusa za gene visokeadaptacijske vrijednosti i neke druge odnose ugenetičkoj strukturi populacije, kao i uvjetima života, uključuju ći ograničenja resursa (hrana,staništeprostor, saučesnici) i postojanje mogućih prijetnji (predatori,bolesti, nepovoljnevremenske prilike). Djelovanje svih tih faktora je, međutim, uključeno u kompleks koji se označava kaoselekcijski pritisci.
Prirodno odabiranje jeevolucijska snaga koja (logično) prepoznaje samofenotipove, a skupa s njima favorizira ili onemogućuje odgovarajućealelogene, dok je u vještačkoj selekciji moguće birati i poželjnegenotipove.
Selekcija ne garantira da će najpovoljnije osobine ili aleli postati prevladavajući unutar populacije. Drugi proces u determiniranju frekvencije gena u populaciji se zovegenetički drift, koji djeluje na gene koji nisu pod selekcijom. No, drift ne može prevladati samu prirodnu selekciju, jer je slučajni faktor, dok je prirodno odabiranje zapravo trajnaevolucijska sila. S obzirom na izbor čak i tzvštetnih alela oni mogu postati univerzalna komponenta genskog fonda jedne vrste. To je rizik prvenstveno u slučaju "slabog" izbora (npr. zarazne bolesti sa veoma niskom stopom smrtnosti) ili male veličinepopulacije.Iako ponekad mogu postati osnovana štetnih alela, odabir može djelovatinegativno, kao ipozitivno.
negativna selekcija smanjuje prevalencijuosobina koje smanjuju "kapacitet za uspjeh" (adaptivnu vrijednost ili , kako se često formulirafitnes), dok
Jednamutacija čini sijamskumačku osjetljivom na promjene temperature.
Iakogenom svakejedinke sadrži kompletnugenetičku informaciju za sve elemente građe i funkcije organizma,okolinski faktori također imaju značajnu ulogu u određivanju konačnogfenotipa. U tom pogledu, zanimljive su pojave pripitomljenihživotinja, fenomeni poznati kao "priroda protiv njege". Jedan od primjera jemutacija koja izaziva osjetljivost natemperaturu. Iako postoje i ekstremni suprotni slučajevi, obično izmjena jedne aminokiseline u sekvenciproteina ne mijenja njegovo ponašanje i interakciju s produktima drugih gena, ali može destabilizirati njihovu strukturu. U uvjetima povišenih temperatura, molekule se brže kreću i sudaraju, što rezultira time da protein mijenja normalnu strukturu i postaje nefunkcionalan. Međutim, pod niskim temperaturama, sutruktura proteina je stabilna kao i njegova funkcija. Ovaj tip mutacije se javlja kod bojekrznasijamskih mačaka, gdjeenzim koji kontrolira boju krzna, na visokoj temperaturi biva destabiliziran i gubi funkciju.[54] U ohlađenim dijelovima kože (noge,uši,rep ilice), enzim je aktivan pa takvamačka na tim dijelovima ima tamnije krzno.
Okolina može također imati dramatičan uticaj na ispoljavanje nasljednih boleti kod čovjeka. Primjer može bitifenilketonurija.[55] Mutacija koja izaziva ovu "grešku"metabolizmafenilalanina onemogućava njegovo razlaganje, što izaziva toksično nakupljanje srednje molekule u metaboličkom lancu, što izaziva jake simptome progresivnementalne zaostalosti. Međutim, ako osoba s fenilokenturijom pridržava odgovarajućih strogihdijeta, bez fenilalanina fenotipsi će se ispoljavati kao i osobe bez te mutacije.
Rašireni način za procjenu relativnog udjela okolinskih faktora na ispoljavanje određenoggenotipa jeblizanački metod, koji počiva na poređenju serija jednojajnih i dvojajnih blizanaca ili braće/sestara iz višestrukih trudnoća. Budući da su jednojajni blizanciklon istogzigota, oni su genetički identični. Dvojajni su, međutim, isto toliko različiti ili slični kao i braća i/ili sestre koje nisu iz iste trudnoće. Porodeći međusobnu podudarnost fenotipova u serijama jednojajnih i dvojajnih blizanaca, moguće je procijeniti uticaj okolinskih faktora na ispoljavanje posmatranih poremećaja. Jedan poznati primjer istraživanja višestruke trudnoće suGenain četvorke, koje su bile jednojajne i sve sašizofrenijom.[56]
Iako su početna genetička istraživanja nasljednosti kod mnogih vrsta organizama, vrememnom su se pojavila i specijalizuirane problem objekti istraživanju genetike određenih grupaorganizama. Ta činjenica je podsticala buduća istraživanja da svoje projekte osmisle na provjereno podobnim organizmima. Tako je nekolicina organizama postali modelni biološki sistemi u većini genetičkih istraživanja, tj. postali sumodelni organizmi.[57] Najčešćem pročavani problem genetičkih istraživanja kod modelnih organizama, dosad su biliregulaciji djelovanja gena, uticaj gena u razvoj i genetičke osnovekarcinoma.Model organizmi, u svim biološkim istraživanjima, su odabrani zbog nihovih podobnosti, kao što su:
Medicinska genetika istražuje kako genetičke ke varijacije mogu uticati na ljudsko zdravlje i bolesti, te kako njima upravljati. Kada se traga za nepoznatim genom koji je možda povezan s određenom bolesti, često koristevezani geni igenetičke karte s rodoslovom, kako bi se procijenila pozicija, sa bolešću povezanog, lokusa u genomu pacijenta. Na razini populacije, testiraju se modeli Mendelovskog slučajnog izbora parnjaka, pristup koji može biti vrlo koristan za slučajevepoligenskog nasljeđivanjaosobina. To su one koje ne ispoljavaju funkciju samo Kada se gen-kandidat pronađe, daljnje istraživanje se obično nastavlja na odgovarajućem (ortolognom) genu modelnih organizama. Uz istraživanje genetičkih bolesti, intenzivan razvoj I povećana dostupnost tehnika za mijenjanje gena, doveli su i dofarmakogenetike, koja istražuje uticajgenotipa na odgovore organizma na uzimanje određenih lijekova.
Podložnost razvojuraka je individualno određena, jer je rak ima genetičku osnovu. Proces razvoja raka u tijelu je ustvari kombinacija raznih događaja, uključujući I njihove kombinaciuju I dinamiku. Tokom ćelijskih dioba, u tijelu često se dešavaju mutacije. Iako ih potomstvo neće naslijediti, mogu uticati na ponašanje ćelija nositelja, što ponekad dovodi do njihovog bržeg rasta i proliferacijske – nekontrolirane diobe. Postoje biološki mehanizmi koji u normalnim stanjima mogu zaustaviti ovaj process, jer se takvim ćelijama šalju se signali koji bi trebali izazvati smrt ćelije, ali u podložnim slučajevima se dese mutacije koje izazivaju ignoriranje ove poruke. U tijelu se javlja unutrašnji proces prirodne selekcije i na kraju se mutacije nagomilvaaju, potičući sopstveni rast, tj. stvarajući kancerogene tumore koji rastu i zauzimaju pogođena tjelesna tkiva.
U solidno opremljenim laboratorijama, može se manipulirati i samomDNK. Restrikcijskienzimi se protom obično koriste za rezanje DNK na određenom dijelu sekvence, stvarajući, između ostalih, i tražene fragmente DNK. Ti fragmenti se mogu vizualizirati korištenjem gelne elektroforeze, koja ih razdvaja, prema njihovoj dužini, odnosno pokretljivosti u električnom polju.
ZatimDNK ligaza omogućava da se sekvence DNK povežu, pa se njihovim spajanjem iz raznih izvora, može napravitirekombinantna DNK. Ova odrednica se često povezuje s genetički modificiranim organizmima, jer se oni dobijaju unošenjem stranih sekvenciDNKgenom tretiranih ćelija I organizama. Kao vektori unosa poželjnih segmenata DNK u određeni genom, obično se uzimajuplazmidi – kratki kružni dijelovi DNK s nekoliko gena na njima. Ubacivanjem plazmida u bakterije i njihovim uzgojem na hranljivoj podlozi (agaru), mogu se u bakterijama (koje se brzo razmnožavaju) klonirati uneseni fragmenti molekulaDNK. Tako je, naprimjer, u bakterijuEscherichia coli, putem pogodnog plazmida, ubačen ljudski gen za sintezuinsulina, a njene kolonije zatim produciraju insulin, koji je odavno u komercijalnoj upotrebi.
KolonijeEscherichia coli na agarnoj podlozi, kao primjer modelnog organizma za kloniranja ćelija imolekula.
DNK se može umnožavati (amplificirati) i proceduromlančane reakcije polimerazom (PCR).[58] Na matrici određene kratke sekvence DNK, PCR može izolirati i eksponencijalno umnožiti određeni segment DNK. Budući da se može amplificirati iz veoma malik količina DNK, PCR se također često koristi za otkrivanje prisustva neke određene sekvence DNK u biološkim tragovima, uključujući i one koji su forenzički i medicinski zanimljivi.
Među temeljne nove tehnologije genetičkih istraživanja svakaku ulazi sekvenciranje DNK molekula, što omogućava prepoznavanje redoslijeda nukleotida u molekulama DNK i njenim ciljanm sekvencama. Ovaj postupak su razviliFrederick Sanger i suradnici1977. godine, a danas se rutinski koristi za sekvenciranje DNK različitih vrsta I oblika života.[59][60] Ovom tehnologijom je moguće analizirati I one molekulske sekvence koje se dovode u vezu sa mnogim ljudskim bolestima.Smanjivanje troškova sekvenciranja, utvrđene su genomske sekvence mnogih organizama, koristeći prito I komputerizirane programe za povezivanje sekvenci više fragmenata. Takvom tehnikom je također sekvenciran i ljudski genom, što je omogućilo završetakProjekta ljudskog genoma2003. godine.[61] Nove tehnologije za sekvenciranje dramatično snižavaju cijenu sekvenciranja DNK, a mnogi se nadaju da će se cijena za ponovno sekvenciranje ljudskog genoma sniziti na prihvatljive iznose za najširi krug zaineresiranih osoba.Rastuća količina podataka o sekvenciranimgenomima otvorila je novo polje genetike, nazvanogenomika, nauke koja koristi kompjutacijske alate za analizu dijelova cijelog genoma nekog organizma. Genomika se također može smatrati dijelombioinformatike.
↑Alberts B., Johnson A., Lewis J., Raff M., Roberts K., Walter P. (2002): Molecular Biology of the Cell. Garland Science New York.
↑Hartl D., Jones E. (2005). Genetics: Analysis of Genes and Genomes. Jones & Bartlett Publishing, Burlington, MA, USA.
↑Lodish H., Berk A., Zipursky L. S., Matsudaira P., Baltimore D., Darnell J. (2000). Molecular Cell Biology. Scientific American Books New York.
↑Pierce B. A. (2013) Genetics: A Conceptual Approach, Fifth Edition, W.H. Freeman and Company, New York.
12Brown T A (2011) Introduction to Genetics: A Molecular Approach, 1st edition, Garland Science - Taylor & Francis, New York.
↑Hartwell L., Silver L. M., Leroy Hood, Michael Goldberg, Ann Reynolds, Ruth Veres (2010) Genetics: From Genes to Genomes, 4th edition, McGraw-Hill Science/Engineering/Math, New York, USA.
↑Allison L. A. (2007) Fundamental Molecular Biology, Blackwell Publishing, Malden, MA, USA.
↑Primrose S. B., Twyman R. M. (2006) Principles of Gene Manipulation and Genomics, 7th edition, Blackwell Publishing, Malden, MA, USA.
↑Brooker R. J. (2014) Genetics: Analysis and Principles, 5th edition McGraw-Hill Higher Education, New York, USA.
↑Mendel G. (1866): Versuche über Pflanzen–Hybriden. Verhandlungen des Naturforschenden Vereines in Brün, Bd. IV, für den Jahr 1865, Abhandlungen, 3-47, Bürn. In: Křizenský J., Němec B. (1965): Fundamenta genetica. Publishing house of the Czechoslovak Academy of Science, Prague, Moravian Museum, Brno.
12Alberts B., Johnson A., Lewis J., Raff M., Roberts K., Walter P. (2002):Molecular biology of the cell, 4th Edition Garland Science, New York,ISBN0-8153-3218-1.
12Hartl D., Jones E. (2005): Genetics: Analysis of genes and genomes, 6th Edition, Jones & Bartlett, New York,ISBN0-7637-1511-5
↑Lodish H. et al.(2000): Molecular cell biology, 4th Edition. Scientific American Books, New York,ISBN0-7167-3136-3.
123Lawrence E. (1999): Henderson's Dictionary of biological terms. Longman Group Ltd., London,ISBN0-582-22708-9.
1234Lincoln R. J., Boxshall G. A. (1990): Natural history - The Cambridge illustrated dictionary. Cambridge University Press, Cambridge,ISBN0 521 30551-9.
↑Hartl D., Jones E. (2005): Genetics: Analysis of genes and genomes, 6th Edition, Jones & Bartlett, New York,ISBN0-7637-1511-5.
12Krebs J. E., Goldstein E. S., Kilpatrick S., T. (2014): Lewin's Genes XI. Jones & Bartlett Publishing, Burlington, MA, USA.
↑Yu J., Hu S., Wang J., et al. (2002):|A draft sequence of the rice genome (Oryza sativa L. ssp. indica).Science, 296 (5565): 79–92.
↑Bajrović K, Jevrić-Čaušević A., Ed. (2005): Uvod u genetičko inženjerstvo i biotehnologiju. Institut za genetičko inženjerstvo i biotehnologiju (INGEB), Sarajevo,ISBN9958-9344-1-8.
1234Kapur Pojskić L., Ed. (2014): Uvod u genetičko inženjerstvo i biotehnologiju, 2. izdanje. Institut za genetičko inženjerstvo i biotehnologiju (INGEB), Sarajevo,ISBN978-9958-9344-8-3.
1234Hadžiselimović R., Pojskić N. (2005): Uvod u humanu imunogenetiku. Institut za genetičko inženjerstvo i biotehnologiju (INGEB), Sarajevo,ISBN9958-9344-3-4.
12Berberović LJ., Hadžiselimović R. (1986): Rječnik genetike. Svjetlost, Sarajevo,ISBN86-01-00723-6.
1234Hadžiselimović R. (2005): Bioantropologija – Biodiverzitet recentnog čovjeka. Institut za genetičko inženjerstvo i biotehnologiju (INGEB), Sarajevo,ISBN9958-9344-2-6.
↑Cavali-Sforza L. L., Bodmer W. F. (1999): The genetics of human populations. Dover PublicTIONS, Inc., Mineola, New York,ISBN0-486-40693-8.
↑Nussbaum R. L. et al.(2007): Genetics in Medicine. Saunders, Philadelphia
12MacLeod A., Sikora K. (1984): Molecular biology and human diseases. Blackwell Scientific Publications, Oxford,ISBN0-632-01167-X.
12Alberts B. et al. (1983): Molecular biology of the cell. Garland Publishing, Inc., New York & London,ISBN0-8240-7283-9.
123Hartl D, Jones E (2005). Genetics: Analysis of Genes and Genomes. Jones & Bartlett Publishing, Burlington, MA, USA.
123Bajrović K, Jevrić-Čaušević A., Hadžiselimović R., Ed. (2005): Uvod u genetičko inženjerstvo i biotehnologiju. Institut za genetičko inženjerstvo i biotehnologiju (INGEB), Sarajevo,ISBN9958-9344-1-8.
123Alberts B., Johnson A., Lewis J., Raff M., Roberts K., Walter P. (2008): Molecular Biology of the Cell, Garland Science, Taylor & Francis Group NY, USA
↑Greška kod citiranja: Nevaljana oznaka<ref>;nije naveden tekst za reference s imenomauto16
↑Greška kod citiranja: Nevaljana oznaka<ref>;nije naveden tekst za reference s imenomauto14
12Ibrulj S., Haverić S., Haverić A. (2008): Citogenetičke metode – Primjena u medicini . Institut za genetičko inženjerstvo i biotehnologiju (INGEB), Sarajevo,ISBN978-9958-9344-5-2.
↑Campbell N.eil (2005). Biology. Benjamin/ Cummings, San FranciscoISBN0-07-366175-9.
↑Ibrulj S., Haverić S., Haverić A. (2008): Citogentika - primjena u medicini. Institut za genetičko inženjerstvo i biotehnologiju, Sarajevo.
↑Benjamin A. Pierce (2013) Genetics: A Conceptual Approach, Fifth Edition, W.H. Freeman and Company, New York.
↑Leland Hartwell, Lee M. Silver, Leroy Hood, M|ichael Goldberg, Ann Reynolds, Ruth Veres (2010) Genetics: From Genes to Genomes, 4th edition, McGraw-Hill Science/Engineering/Math, New York, USA.
↑Allison L. A. (2007) Fundamental Molecular Biology, Blackwell Publishing, Malden, MA, USA. .
↑Primrose S. B., Twyman R. M. (2006): Principles of Gene Manipulation and Genomics, 7th edition, Blackwell Publishing, Malden, MA, USA.
↑Robert J. Brooker (2014) Genetics: Analysis and Principles, 5th edition McGraw-Hill Higher Education, New York, USA.
↑Bell G. (1997): Selection: The mechanism of evolution. Chapman & Hall, New York,ISBN0-412-05521-X. (2nd edition published in 2008 by Oxford University Press,ISBN0-19-856972-6)
↑Paramonov A. A. (1959): Kurs darvinizma. "Veselin Masleša", Sarajevo.
↑Imes D. L. et al. (2006): Albinism in the domestic cat (Felis catus) is associated with a tyrosinase (TYR) mutation.Animal genetics, 37 (2): 175–178.
↑Rosenthal D. (1964): The Genain quadruplets:a case study and theoretical analysis of heredity and environment in schizophrenia. Basic Books, New York ISBN B0000CM68F.
.jpg)
