Genetik

Genetik, organizmalardaki genler, genetik çeşitlilik ve kalıtımla ilgili bir biyoloji dalıdır.

Kalıtım bin yıldır gözlemlense de, 19. yüzyılda çalışan bir bilim adamı ve Augustinian rahibi olan Gregor Mendel, genetiği bilimsel olarak inceleyen ilk kişiydi. Mendel, özelliklerin ebeveynlerden çocuklara aktarılma şeklindeki kalıplar olan "özellik kalıtımı" üzerinde çalıştı. Organizmaların (bezelye bitkilerinin) farklı "kalıtım birimleri" yoluyla özellikleri miras aldığını gözlemledi. Bugün hala kullanılan bu terim, gen olarak adlandırılan şeyin biraz belirsiz bir tanımıdır.

Genlerin özellik kalıtımı ve moleküler kalıtım mekanizmaları, 21. yüzyılda hala genetiğin temel ilkeleridir, ancak modern genetik kalıtımın ötesine geçerek genlerin işlevini ve davranışını incelemeye başlamıştır. Gen yapısı ve işlevi, çeşitliliği ve dağılımı hücre, organizma (örneğin baskınlık) bağlamında ve bir popülasyon bağlamında incelenir. Genetik, moleküler genetik, epigenetik ve popülasyon genetiği dahil olmak üzere bir dizi alt alana yol açmıştır. Geniş bir alanda incelenen organizmalar, yaşam alanlarını (arkeler, bakteriler ve ökarya) kapsar.

Genetik süreçler, bir organizmanın çevresi ve deneyimleriyle birlikte, gelişimi ve davranışı etkilemek için çalışır ve genellikle doğaya karşı doğa olarak anılır. beslemek. Canlı bir hücrenin veya organizmanın hücre içi veya hücre dışı ortamı, gen transkripsiyonunu açabilir veya kapatabilir. Klasik bir örnek, biri ılıman bir iklime ve diğeri kurak bir iklime (yeterli şelale veya yağmurdan yoksun) yerleştirilmiş, genetik olarak özdeş iki mısır tohumudur. İki mısır sapının ortalama yüksekliği genetik olarak eşit olarak belirlenebilirken, kurak iklimde olanı, ortamındaki su ve besin eksikliğinden dolayı ılıman iklimde olanın yalnızca yarısına kadar büyür.

İçindekiler

Etimoloji

Genetik kelimesi eski Yunanca γενετικός genetikos "genetik" / "üretken" anlamına gelir, bu da "köken" anlamına gelen γέν<σις genesis 'den türemiştir.

Tarih

Canlıların özelliklerini ebeveynlerinden miras aldıkları gözlemi, tarih öncesi çağlardan beri ekin bitkilerini ve hayvanları seçici ıslah yoluyla geliştirmek için kullanılmaktadır. Bu süreci anlamaya çalışan modern genetik bilimi, 19. yüzyılın ortalarında Augustus rahibi Gregor Mendel'in çalışmasıyla başladı.

Mendel'den önce, burada yaşayan Macar bir soylu olan Imre Festetics Kőszeg, Mendel'den önce, "genetik" kelimesini kullanan ilk kişiydi. Doğanın Genetik Yasası (Die genetische Gesätze der Natur, 1819) adlı çalışmasında genetik mirasın birkaç kuralını tanımladı. İkinci yasası Mendel'in yayınladığı ile aynıdır. Üçüncü yasasında, mutasyonun temel ilkelerini geliştirdi (Hugo de Vries'in öncüsü sayılabilir).

Diğer kalıtım teorileri Mendel'in çalışmasından önce geldi. 19. yüzyılda popüler bir teori ve Charles Darwin'in 1859 Türlerin Kökeni Üzerine 'nin ima ettiği kalıtım harmanlıyordu: bireylerin ebeveynlerinden yumuşak bir özellik karışımı miras aldıkları fikri. Mendel'in çalışması, özelliklerin sürekli bir karışımdan ziyade farklı genlerin kombinasyonları tarafından üretildiğini göstererek, özelliklerin hibridizasyondan sonra kesinlikle harmanlanmadığı örnekler sağladı. Soydaki özelliklerin harmanlanması, şimdi niceliksel etkilere sahip çoklu genlerin hareketiyle açıklanmaktadır. O zamanlar biraz desteği olan bir başka teori, edinilmiş özelliklerin kalıtımıydı: bireylerin ebeveynleri tarafından güçlendirilmiş özellikleri miras aldıkları inancı. Bu teorinin (genellikle Jean-Baptiste Lamarck ile ilişkilendirilir) yanlış olduğu biliniyor - epigenetik alanındaki kanıtlar Lamarck'ın teorisinin bazı yönlerini canlandırmasına rağmen, bireylerin deneyimleri çocuklarına aktardıkları genleri etkilemiyor. Diğer teoriler arasında Charles Darwin'in (hem edinilmiş hem de miras almış) pangenezi ve Francis Galton'ın hem partikül hem de miras olarak pangenezi yeniden formüle etmesi yer alıyordu.

Mendel ve klasik genetik

Modern genetik başladı Mendel'in bitkilerdeki kalıtımın doğası konusundaki çalışmaları ile. Mendel, Brünn'deki Naturforschender Verein 'e (Doğada Araştırma Topluluğu) 1865 yılında sunulan " Versuche über Pflanzenhybriden " ("Bitki Hibridizasyonu Üzerine Deneyler") makalesinde bezelye bitkilerindeki bazı özelliklerin kalıtım kalıpları ve matematiksel olarak tanımlandı. Bu kalıtım örüntüsü yalnızca birkaç özellik için gözlemlenebilse de, Mendel'in çalışması kalıtımın parçacıklı olduğunu, edinilmediğini ve birçok özelliğin kalıtım modellerinin basit kurallar ve oranlarla açıklanabileceğini öne sürdü.

Mendel'in çalışmasının önemi, onun ölümünden sonra, Hugo de Vries ve diğer bilim adamlarının araştırmasını yeniden keşfettiği 1900 yılına kadar geniş bir anlayış kazanmadı. Mendel'in çalışmalarının bir savunucusu olan William Bateson, 1905'te genetik kelimesini icat etti (Yunanca genesis kelimesinden türetilen genetik sıfatı —γένεσις, "kökeni", isimden önce gelir ve ilk olarak 1860'da biyolojik anlamda kullanılmıştır). Bateson hem bir akıl hocası olarak hareket etti hem de Cambridge'deki Newnham Koleji'nden diğer bilim adamlarının, özellikle Becky Saunders, Nora Darwin Barlow ve Muriel Wheldale Onslow'un çalışmalarından önemli ölçüde yardım aldı. Bateson, 1906'da Londra'daki Üçüncü Uluslararası Bitki Hibridizasyonu Konferansı'na yaptığı açılış konuşmasında, kalıtımla ilgili çalışmayı tanımlamak için genetik kelimesinin kullanımını popüler hale getirdi.

Mendel'in yeniden keşfinden sonra Bilim adamları, hücredeki hangi moleküllerin kalıtımdan sorumlu olduğunu belirlemeye çalıştı. 1900'de Nettie Stevens, un kurdu üzerinde çalışmaya başladı. Sonraki 11 yıl içinde, dişilerin yalnızca X kromozomuna sahip olduğunu ve erkeklerin hem X hem de Y kromozomlarına sahip olduğunu keşfetti. Cinsiyetin bir kromozomal faktör olduğu ve erkek tarafından belirlendiği sonucuna vardı. 1911'de Thomas Hunt Morgan, meyve sineklerinde cinsiyete bağlı beyaz göz mutasyonunun gözlemlerine dayanarak genlerin kromozomlar üzerinde olduğunu savundu. 1913'te öğrencisi Alfred Sturtevant, genlerin kromozom üzerinde doğrusal olarak düzenlendiğini göstermek için genetik bağlantı fenomenini kullandı.

Moleküler genetik

Genler olmasına rağmen Kromozomlarda var olduğu bilinen kromozomlar hem protein hem de DNA'dan oluşur ve bilim adamları kalıtımdan ikisinden hangisinin sorumlu olduğunu bilmiyorlardı. 1928'de, Frederick Griffith dönüşüm fenomenini keşfetti (Griffith'in deneyine bakın): Ölü bakteriler, diğer canlı bakterileri "dönüştürmek" için genetik materyali transfer edebilirdi. On altı yıl sonra, 1944'te Avery-MacLeod-McCarty deneyi DNA'yı dönüşümden sorumlu molekül olarak tanımladı. Çekirdeğin ökaryotlarda genetik bilgi deposu olarak rolü, 1943'te Hämmerling tarafından tek hücreli alg Acetabularia üzerine yaptığı çalışmada ortaya konmuştu. 1952'deki Hershey-Chase deneyi, DNA'nın (proteinden ziyade) bakterileri enfekte eden virüslerin genetik materyali olduğunu doğruladı ve DNA'nın kalıtımdan sorumlu molekül olduğuna dair daha fazla kanıt sağladı.

James Watson ve Francis Crick DNA'nın yapısını 1953'te Rosalind Franklin ve Maurice Wilkins'in DNA'nın sarmal bir yapıya (yani tirbuşon şeklinde) sahip olduğunu gösteren X-ışını kristalografi çalışmasını kullanarak belirledi. Çift sarmallı modellerinde, nükleotidlerin içe dönük olduğu iki DNA ipliği vardı, bunların her biri, bükülmüş bir merdivendeki basamaklara benzeyen basamakları oluşturmak için diğer iplikteki tamamlayıcı bir nükleotidle eşleşiyordu. Bu yapı, genetik bilginin her bir DNA zincirindeki nükleotid dizisinde var olduğunu gösterdi. Yapı ayrıca replikasyon için basit bir yöntem önerdi: eğer teller ayrılırsa, her biri için eski ipin sırasına bağlı olarak yeni ortak ipler yeniden oluşturulabilir. Bu özellik, DNA'ya yarı-muhafazakar doğasını veren şeydir, burada yeni DNA'nın bir ipliği orijinal bir ana iplikten gelir.

DNA'nın yapısı kalıtımın nasıl çalıştığını göstermesine rağmen, DNA'nın DNA'yı nasıl etkilediği henüz bilinmiyordu. hücrelerin davranışı. Sonraki yıllarda bilim adamları, DNA'nın protein üretim sürecini nasıl kontrol ettiğini anlamaya çalıştı. Hücrenin, DNA'ya çok benzeyen nükleotidlere sahip moleküller olan eşleşen haberci RNA'yı oluşturmak için DNA'yı şablon olarak kullandığı keşfedildi. Bir haberci RNA'nın nükleotid dizisi, proteinde bir amino asit dizisi oluşturmak için kullanılır; nükleotid dizileri ve amino asit dizileri arasındaki bu çeviri genetik kod olarak bilinir.

Kalıtımın yeni keşfedilen moleküler anlayışıyla birlikte bir araştırma patlaması yaşandı. Tomoko Ohta'dan 1973'te, neredeyse tarafsız moleküler evrim teorisini yayınlayarak nötr moleküler evrim teorisine yaptığı değişiklikle kayda değer bir teori ortaya çıktı. Bu teoride Ohta, doğal seçilimin ve çevrenin, genetik evrimin meydana gelme hızı açısından önemini vurguladı. Önemli bir gelişme, 1977'de Frederick Sanger tarafından yapılan zincir sonlandırma DNA dizilimiydi. Bu teknoloji, bilim insanlarının bir DNA molekülünün nükleotid dizisini okumasına olanak tanır. 1983'te Kary Banks Mullis, bir karışımdan belirli bir DNA bölümünü izole etmek ve büyütmek için hızlı bir yol sağlayan polimeraz zincir reaksiyonunu geliştirdi. İnsan Genom Projesi, Enerji Bakanlığı, NIH'nin çabaları ve Celera Genomics'in paralel özel çabaları, 2003 yılında insan genomunun dizilenmesine yol açtı.

Kalıtımın özellikleri

Ayrık miras ve Mendel yasaları

Organizmalardaki kalıtım, en temel düzeyinde, gen adı verilen ayrı kalıtsal birimleri ebeveynlerden yavrulara geçirerek gerçekleşir. Bu özellik ilk olarak bezelye bitkilerinde kalıtsal özelliklerin ayrışmasını inceleyen Gregor Mendel tarafından gözlemlendi. Mendel, çiçek rengi özelliğini inceleyen deneylerinde, her bezelye bitkisinin çiçeklerinin mor ya da beyaz olduğunu, ancak iki renk arasında hiçbir zaman bir ara madde olmadığını gözlemledi. Aynı genin bu farklı, ayrık versiyonlarına aleller denir.

Diploid bir tür olan bezelye söz konusu olduğunda, her bir bitki her bir genin iki kopyasına sahiptir, her bir ebeveynden bir kopya miras alınır. İnsanlar da dahil olmak üzere birçok tür bu kalıtım modeline sahiptir. Belirli bir genin aynı alelinin iki kopyasına sahip diploid organizmalar, o gen lokusunda homozigot olarak adlandırılırken, belirli bir genin iki farklı aleline sahip organizmalar heterozigot olarak adlandırılır.

Belirli bir organizma için alel kümesi. organizmanın gözlenebilir özelliklerine fenotipi denirken, genotipi denir. Organizmalar bir gende heterozigot olduğunda, nitelikleri organizmanın fenotipine hakim olduğu için genellikle bir alel baskın olarak adlandırılırken, diğer allel, nitelikleri gerilediği ve gözlenmediği için çekinik olarak adlandırılır. Bazı aleller tam baskınlığa sahip değildir ve bunun yerine bir ara fenotip ifade ederek tam baskınlığa veya aynı anda her iki aleli ifade ederek birlikte baskınlığa sahiptir.

Bir çift organizma cinsel olarak çoğaldığında, yavruları rastgele ikisinden birini miras alır. her ebeveynden aleller. Bu ayrık kalıtım gözlemleri ve alellerin ayrılması topluca Mendel'in birinci yasası veya Ayrılma Yasası olarak bilinir.

Gösterim ve diyagramlar

Genetikçiler kalıtımı tanımlamak için diyagramlar ve semboller kullanır. Bir gen, bir veya birkaç harfle temsil edilir. Genellikle bir gen için mutant olmayan mutant olmayan aleli işaretlemek için "+" sembolü kullanılır.

Döllenme ve üreme deneylerinde (ve özellikle Mendel'in yasalarını tartışırken) ebeveynler "P" olarak anılır. "F1" (ilk evlatlık) nesli olarak "nesil ve yavru. F1 yavruları birbirleriyle çiftleştiğinde, yavrulara "F2" (ikinci evlatlık) nesil denir. Melezleştirmenin sonucunu tahmin etmek için kullanılan yaygın diyagramlardan biri Punnett karesidir.

İnsan genetik hastalıklarını incelerken, genetikçiler genellikle özelliklerin kalıtımını temsil etmek için soyağacı çizelgeleri kullanırlar. Bu grafikler, bir soy ağacındaki bir özelliğin kalıtımının haritasını çıkarır.

Çoklu gen etkileşimleri

Canlılarda binlerce gen vardır ve cinsel olarak üreyen organizmalarda bu genler genellikle birbirinden bağımsız olarak sınıflandırılır. Bu, sarı veya yeşil bezelye rengi için bir alelin kalıtımının, beyaz veya mor çiçekler için alellerin kalıtımıyla ilgisi olmadığı anlamına gelir. "Mendel'in ikinci yasası" veya "bağımsız çeşitlilik yasası" olarak bilinen bu fenomen, farklı genlerin alellerinin, birçok farklı kombinasyonla yavru oluşturmak için ebeveynler arasında karıştırıldığı anlamına gelir. (Bazı genler, bu makalenin ilerleyen bölümlerinde tartışılan bir konu olan genetik bağlantıyı göstererek bağımsız olarak sınıflandırılmaz.)

Çoğu zaman farklı genler, aynı özelliği etkileyecek şekilde etkileşime girebilir. Örneğin Blue-eyed Mary'de ( Omphalodes verna ), çiçeklerin rengini belirleyen alellere sahip bir gen vardır: mavi veya macenta. Ancak başka bir gen, çiçeklerin renginin tamamen mi yoksa beyaz mı olduğunu kontrol eder. Bir bitki bu beyaz alelin iki kopyasına sahip olduğunda, çiçekleri beyazdır - ilk genin mavi veya macenta alelleri olup olmadığına bakılmaksızın. Genler arasındaki bu etkileşime epistasis denir ve ikinci gen birinciye epistatiktir.

Birçok özellik ayrı özellikler değildir (ör. Mor veya beyaz çiçekler), bunun yerine sürekli özelliklerdir (örneğin insan boyu ve ten rengi) . Bu karmaşık özellikler birçok genin ürünüdür. Bu genlerin etkisine, bir organizmanın deneyimlediği çevre, değişen derecelerde aracılık eder. Bir organizmanın genlerinin karmaşık bir özelliğe katkıda bulunma derecesine kalıtım denir. Bir özelliğin kalıtılabilirliğinin ölçülmesi görecelidir - daha değişken bir ortamda, çevrenin özelliğin toplam varyasyonu üzerinde daha büyük bir etkisi vardır. Örneğin insan boyu, karmaşık nedenleri olan bir özelliktir. Amerika Birleşik Devletleri'nde kalıtım oranı% 89'dur. Ancak, insanların iyi beslenme ve sağlık hizmetlerine daha değişken bir erişim deneyimi yaşadıkları Nijerya'da boyun kalıtım oranı yalnızca% 62'dir.

Kalıtımın moleküler temeli

DNA ve kromozomlar

Genlerin moleküler temeli deoksiribonükleik asittir (DNA). DNA, dört türü olan bir nükleotid zincirinden oluşur: adenin (A), sitozin (C), guanin (G) ve timin (T). Genetik bilgi, bu nükleotidlerin dizisinde bulunur ve genler, DNA zinciri boyunca dizi uzantıları olarak bulunur. Virüsler bu kuralın tek istisnasıdır - bazen virüsler genetik materyalleri olarak DNA yerine çok benzer molekül RNA'yı kullanırlar. Virüsler konakçı olmadan çoğalamaz ve birçok genetik süreçten etkilenmez, bu nedenle canlı organizma olarak görülmemeye eğilimlidir.

DNA normalde çift sarmal şeklinde sarmalanmış çift sarmallı bir molekül olarak bulunur. DNA'daki her bir nükleotid, tercihen karşı iplikçikteki ortak nükleotidiyle eşleşir: T ile bir çift ve C, G ile çiftleşir. Böylece, iki sarmallı formunda, her bir sarmal, ortak sarmalında gereksiz olan tüm gerekli bilgileri etkili bir şekilde içerir. DNA'nın bu yapısı, kalıtımın fiziksel temelidir: DNA replikasyonu, iplikleri bölerek ve her bir ipliği yeni bir ortak ipliğin sentezi için bir şablon olarak kullanarak genetik bilgiyi kopyalar.

Genler, uzun zincirler boyunca doğrusal olarak düzenlenmiştir. DNA baz çifti dizileri. Bakterilerde, her hücre genellikle tek bir dairesel genofor içerirken, ökaryotik organizmaların (bitkiler ve hayvanlar gibi) DNA'ları çoklu doğrusal kromozomlarda düzenlenmiştir. Bu DNA zincirleri genellikle çok uzundur; örneğin en büyük insan kromozomu yaklaşık 247 milyon baz çifti uzunluğundadır. Bir kromozomun DNA'sı, kromatin adı verilen bir malzeme oluşturarak DNA'ya erişimi düzenleyen, sıkıştıran ve kontrol eden yapısal proteinlerle ilişkilidir; Ökaryotlarda, kromatin genellikle nükleozomlardan, histon proteinlerinin çekirdeği etrafına sarılmış DNA segmentlerinden oluşur. Bir organizmadaki kalıtsal materyalin tamamı (genellikle tüm kromozomların birleşik DNA dizileri) genom olarak adlandırılır.

DNA çoğunlukla hücrelerin çekirdeğinde bulunur, ancak Ruth Sager, çekirdeğin dışında bulunan kromozomal olmayan genler. Bitkilerde bunlar genellikle kloroplastlarda ve diğer organizmalarda mitokondride bulunur. Bu kromozomal olmayan genler, eşeyli üremede her iki partner tarafından da aktarılabilir ve nesiller boyunca çoğalan ve aktif kalan çeşitli kalıtsal özellikleri kontrol ederler.

Haploid organizmalar her bir kromozomun yalnızca bir kopyasına sahipken çoğu hayvan ve birçok bitki diploiddir, her kromozomdan ikisini ve dolayısıyla her genin iki kopyasını içerir. Bir genin iki aleli, her biri farklı bir ebeveynden miras alınan iki homolog kromozomun özdeş lokuslarında bulunur.

Çoğu türde, her organizmanın cinsiyetini belirleyen sözde cinsiyet kromozomları vardır. İnsanlarda ve diğer birçok hayvanda, Y kromozomu, özellikle erkek özelliklerinin gelişimini tetikleyen geni içerir. Evrimde, bu kromozom içeriğinin çoğunu ve genlerinin çoğunu yitirirken, X kromozomu diğer kromozomlara benzer ve birçok gen içerir. Bu söyleniyor, Mary Frances Lyon, yavrulara iki kat daha fazla gen aktarmamak için üreme sırasında X kromozomu inaktivasyonu olduğunu keşfetti. Lyon'un keşfi, X'e bağlı hastalıklar dahil başka şeylerin de keşfedilmesine yol açtı. X ve Y kromozomları oldukça heterojen bir çift oluşturur.

Üreme

Hücreler bölündüğünde, tüm genomları kopyalanır ve her bir yavru hücre bir kopyayı miras alır. Mitoz adı verilen bu süreç, üremenin en basit şeklidir ve eşeysiz üremenin temelidir. Eşeysiz üreme, çok hücreli organizmalarda da meydana gelebilir ve genomlarını tek bir ebeveynden miras alan yavrular üretir. Ebeveynleriyle genetik olarak özdeş olan yavrulara klon denir.

Ökaryotik organizmalar, iki farklı ebeveynden miras alınan genetik materyalin bir karışımını içeren yavrular oluşturmak için genellikle cinsel üremeyi kullanır. Cinsel üreme süreci, genomun tek kopyalarını (haploid) ve çift kopyaları (diploid) içeren formlar arasında değişir. Haploid hücreler, eşleştirilmiş kromozomlarla diploid bir hücre oluşturmak için genetik materyali birleştirir ve birleştirir. Diploid organizmalar, her bir kromozom çiftinden rastgele birini miras alan yavru hücreler oluşturmak için DNA'larını kopyalamadan bölerek haploidler oluşturur. Çoğu hayvan ve birçok bitki, yaşamlarının çoğu boyunca diploiddir ve haploid formu, sperm veya yumurta gibi tek hücreli gametlere indirgenmiştir.

Haploid / diploid cinsel üreme yöntemini kullanmasalar da, bakterilerin yeni genetik bilgi elde etmek için birçok yöntemi vardır. Bazı bakteriler, küçük bir dairesel DNA parçasını başka bir bakteriye aktararak konjugasyona uğrayabilir. Bakteriler ayrıca çevrede bulunan ham DNA parçalarını alabilir ve bunları genomlarına entegre edebilir, bu da dönüşüm olarak bilinen bir fenomendir. Bu süreçler, yatay gen transferiyle sonuçlanır ve organizmalar arasında, aksi takdirde ilgisiz kalacak olan genetik bilgi parçalarını iletir. Doğal bakteri dönüşümü birçok bakteri türünde meydana gelir ve DNA'nın bir hücreden başka bir hücreye (genellikle aynı türden) aktarılması için cinsel bir süreç olarak kabul edilebilir. Dönüşüm, çok sayıda bakteri gen ürününün faaliyetini gerektirir ve birincil adaptif işlevi, alıcı hücredeki DNA hasarlarının onarımı gibi görünmektedir.

Rekombinasyon ve genetik bağlantı

Kromozomların diploid doğası, farklı kromozomlar üzerindeki genlerin bağımsız olarak dağılmasına veya haploid gametlerin oluştuğu cinsel üreme sırasında homolog çiftlerinden ayrılmalarına izin verir. Bu şekilde, çiftleşen bir çiftin yavrularında yeni gen kombinasyonları oluşabilir. Aynı kromozom üzerindeki genler teorik olarak asla yeniden birleşmezler. Bununla birlikte, kromozomal geçişin hücresel süreci yoluyla yaparlar. Çaprazlama sırasında, kromozomlar DNA uzantılarını değiştirir ve kromozomlar arasında gen alellerini etkili bir şekilde karıştırır. Bu kromozomal geçiş süreci genellikle, haploid hücreler oluşturan bir dizi hücre bölünmesi olan mayoz sırasında meydana gelir. Özellikle mikrobiyal ökaryotlarda mayotik rekombinasyon, DNA hasarlarının onarımının uyarlanabilir işlevine hizmet ediyor gibi görünmektedir.

Geçişin ilk sitolojik gösterimi 1931'de Harriet Creighton ve Barbara McClintock tarafından gerçekleştirilmiştir. mısır, eşleştirilmiş kromozomlar üzerindeki genlerin aslında bir homologdan diğerine yer değiştirdiğine dair genetik teori için sitolojik kanıt sağladı.

Kromozom üzerinde verilen iki nokta arasında kromozomal geçişin meydana gelme olasılığı, noktalar arasındaki mesafe. Keyfi olarak uzun bir mesafe için, geçiş olasılığı, genlerin kalıtımının etkili bir şekilde ilintisiz olmasını sağlayacak kadar yüksektir. Ancak birbirine daha yakın olan genler için çapraz geçiş olasılığının düşük olması, genlerin genetik bağlantı gösterdiği anlamına gelir; iki gen için aleller birlikte kalıtsal olma eğilimindedir. Bir dizi gen arasındaki bağlantı miktarları, genlerin kromozom boyunca düzenlenmesini kabaca tanımlayan doğrusal bir bağlantı haritası oluşturmak için birleştirilebilir.

Gen ifadesi

Genetik kod

Genler, genel olarak işlevsel etkilerini, hücredeki çoğu işlevden sorumlu olan karmaşık moleküller olan proteinlerin üretimi yoluyla ifade ederler. Proteinler, her biri bir amino asit dizisinden oluşan bir veya daha fazla polipeptit zincirinden oluşur ve bir genin DNA dizisi (bir RNA aracı yoluyla) belirli bir amino asit dizisi üretmek için kullanılır. Bu süreç, genin DNA dizisiyle eşleşen bir diziye sahip bir RNA molekülünün üretilmesiyle başlar, bu süreç transkripsiyon olarak adlandırılır.

Bu haberci RNA molekülü daha sonra çeviri adı verilen bir işlemle karşılık gelen bir amino asit dizisi üretmek için kullanılır. . Sekanstaki kodon adı verilen her üç nükleotit grubu, bir proteindeki yirmi olası amino asitten birine veya amino asit dizisini sonlandırma talimatına karşılık gelir; bu yazışmaya genetik kod denir. Bilgi akışı tek yönlüdür: bilgi, nükleotid dizilerinden proteinlerin amino asit dizisine aktarılır, ancak asla proteinden DNA dizisine aktarılmaz - Francis Crick, moleküler biyolojinin merkezi dogması olarak adlandırılan bir fenomen.

Spesifik amino asit dizisi, o protein için benzersiz bir üç boyutlu yapıya neden olur ve proteinlerin üç boyutlu yapıları, işlevleriyle ilgilidir. Bazıları, kolajen proteininin oluşturduğu lifler gibi basit yapısal moleküllerdir. Proteinler diğer proteinlere ve basit moleküllere bağlanabilir, bazen bağlı moleküller içindeki kimyasal reaksiyonları kolaylaştırarak (proteinin kendi yapısını değiştirmeden) enzim görevi görebilir. Protein yapısı dinamiktir; hemoglobin proteini, memeli kanındaki oksijen moleküllerinin yakalanmasını, taşınmasını ve salınmasını kolaylaştırdığı için biraz farklı biçimlere bükülür.

DNA'daki tek bir nükleotid farkı, bir proteinin amino asit dizisinde bir değişikliğe neden olabilir. Protein yapıları amino asit dizilerinin sonucu olduğundan, bazı değişiklikler proteinin yapısını kararsız hale getirerek veya diğer proteinler ve moleküller ile etkileşimini değiştirecek şekilde protein yüzeyini değiştirerek bir proteinin özelliklerini önemli ölçüde değiştirebilir. Örneğin, orak hücre anemisi, hemoglobinin β-globin bölümü için kodlama bölgesi içindeki tek bir baz farkından kaynaklanan ve hemoglobinin fiziksel özelliklerini değiştiren tek bir amino asit değişikliğine neden olan bir insan genetik hastalığıdır. Hemoglobinin orak hücreli versiyonları, proteini taşıyan kırmızı kan hücrelerinin şeklini bozan lifler oluşturmak için istiflenerek kendilerine yapışır. Orak şeklindeki bu hücreler artık kan damarlarından düzgün bir şekilde akmıyor, tıkanma veya bozulma eğilimi göstererek bu hastalıkla ilişkili tıbbi sorunlara neden oluyor.

Bazı DNA dizileri RNA'ya kopyalanır, ancak proteine ​​çevrilmez. ürünler — bu tür RNA moleküllerine kodlamayan RNA denir. Bazı durumlarda, bu ürünler kritik hücre fonksiyonlarına (örneğin ribozomal RNA ve transfer RNA) dahil olan yapılara katlanır. RNA, diğer RNA molekülleri (ör. MikroRNA) ile hibridizasyon etkileşimleri yoluyla da düzenleyici etkilere sahip olabilir.

Doğa ve yetiştirme

Genler, bir organizmanın işlev görmek için kullandığı tüm bilgileri içermesine rağmen, çevre bir organizmanın gösterdiği nihai fenotiplerin belirlenmesinde önemli bir rol. "Doğa ve yetiştirme" ifadesi bu tamamlayıcı ilişkiye gönderme yapar. Bir organizmanın fenotipi, genlerin ve çevrenin etkileşimine bağlıdır. İlginç bir örnek, Siyam kedisinin kürk rengidir. Bu durumda kedinin vücut ısısı çevrenin rolünü oynar. Kedinin genleri koyu renkli saçı kodlar, bu nedenle kedideki saç üreten hücreler hücresel proteinleri yaparak koyu renkli kıllara neden olur. Ancak bu koyu renkli kıl üreten proteinler, sıcaklığa duyarlıdır (yani, sıcaklık duyarlılığına neden olan bir mutasyona sahiptir) ve daha yüksek sıcaklıktaki ortamlarda denatüre olur, kedinin daha yüksek vücut sıcaklığına sahip olduğu bölgelerde koyu renkli kıl pigmenti üretemez. Düşük sıcaklıklı bir ortamda, bununla birlikte, proteinin yapısı sabittir ve normal olarak koyu renkli saç pigmenti üretir. Protein, bacakları, kulakları, kuyruğu ve yüzü gibi daha soğuk cilt bölgelerinde işlevselliğini sürdürür, bu nedenle kedinin uçlarında koyu renkli tüyler olur.

Çevre, insan etkisinde önemli bir rol oynar genetik hastalık fenilketonüri. Fenilketonüriye neden olan mutasyon, vücudun amino asit fenilalanini parçalama yeteneğini bozarak, bir ara molekülün toksik birikimine neden olur ve bu da ilerleyen zihinsel engel ve nöbetlerin ciddi semptomlarına neden olur. Bununla birlikte, fenilketonüri mutasyonuna sahip bir kişi, bu amino asitten kaçınan katı bir diyet uygularsa, normal ve sağlıklı kalır.

Genlerin ve çevrenin ("doğa ve yetiştirme") nasıl katkıda bulunduğunu belirlemek için yaygın bir yöntem fenotip, tek ve çift yumurta ikizlerini veya çoklu doğumların diğer kardeşlerini incelemeyi içerir. Aynı zigottan geldikleri için aynı kardeşler genetik olarak aynıdır. Bu arada çift yumurta ikizleri genetik olarak normal kardeşler kadar farklıdır. Bilim adamları, bir çift tek yumurta ikizinde belirli bir bozukluğun ne sıklıkta meydana geldiğiyle çift yumurta ikizlerinde meydana gelme sıklığını karşılaştırarak, bu bozukluğun genetik mi yoksa doğum sonrası çevresel faktörlerden mi kaynaklandığını belirleyebilir. Ünlü bir örnek, tümü şizofreni tanısı almış özdeş dördüzler olan Genain dördüzlerinin çalışmasını içeriyordu, ancak bu tür testler, genetik faktörleri fetal gelişimi etkileyen çevresel faktörlerden ayıramaz.

Gen düzenlemesi

Belirli bir organizmanın genomu binlerce gen içerir, ancak tüm bu genlerin herhangi bir anda aktif olması gerekmez. Bir gen, mRNA'ya kopyalanırken ifade edilir ve genlerin ifadesini kontrol etmenin birçok hücresel yöntemi vardır, öyle ki proteinler yalnızca hücre tarafından ihtiyaç duyulduğunda üretilir. Transkripsiyon faktörleri, bir genin transkripsiyonunu teşvik eden veya inhibe eden, DNA'ya bağlanan düzenleyici proteinlerdir. Örneğin Escherichia coli bakterisinin genomu içinde, amino asit triptofanın sentezi için gerekli bir dizi gen vardır. Bununla birlikte, triptofan hücre için zaten mevcut olduğunda, triptofan sentezi için bu genlere artık ihtiyaç duyulmaz. Triptofanın varlığı, genlerin aktivitesini doğrudan etkiler - triptofan molekülleri, triptofan baskılayıcıya (bir transkripsiyon faktörü) bağlanarak, baskılayıcının yapısını, baskılayıcı genlere bağlanacak şekilde değiştirir. Triptofan baskılayıcı, genlerin transkripsiyonunu ve ekspresyonunu bloke eder, böylece triptofan sentez sürecinin negatif geri besleme düzenlemesini oluşturur.

Gen ifadesindeki farklılıklar, özellikle hücrelerin hepsinin aynı genomu içerdiği ancak farklı gen kümelerinin ifadesi nedeniyle çok farklı yapı ve davranışlara sahip olduğu çok hücreli organizmalarda belirgindir. Çok hücreli bir organizmadaki tüm hücreler, tek bir hücreden türemiştir, dış ve hücreler arası sinyallere yanıt olarak değişken hücre tiplerine farklılaşır ve farklı davranışlar yaratmak için kademeli olarak farklı gen ekspresyon kalıpları oluşturur. Çok hücreli organizmalar içindeki yapıların gelişiminden tek bir gen sorumlu olmadığından, bu modeller birçok hücre arasındaki karmaşık etkileşimlerden kaynaklanmaktadır.

Ökaryotlarda, genellikle genlerin transkripsiyonunu etkileyen yapısal kromatinin özellikleri vardır. yavru hücreler tarafından istikrarlı bir şekilde miras alınan DNA ve kromatinde modifikasyonlar şeklinde. Bu özellikler "epigenetik" olarak adlandırılır çünkü bunlar DNA dizisinin "üstünde" bulunurlar ve bir hücre neslinden diğerine kalıtımı korurlar. Epigenetik özellikler nedeniyle, aynı ortamda büyütülen farklı hücre tipleri çok farklı özellikleri koruyabilir. Epigenetik özellikler genellikle gelişim süreci boyunca dinamik olsa da, bazıları, paramütasyon fenomeni gibi, çok kuşaklı kalıtıma sahiptir ve kalıtımın temeli olarak DNA'nın genel kuralına nadir istisnalar olarak var olur.

Genetik değişim

Mutasyonlar

DNA replikasyonu işlemi sırasında, ikinci sarmalın polimerizasyonunda ara sıra hatalar meydana gelir. Mutasyonlar olarak adlandırılan bu hatalar, bir organizmanın fenotipini etkileyebilir, özellikle de bir genin protein kodlama dizisi içinde meydana gelirlerse. Hata oranları, DNA polimerazların "yeniden okuma" kabiliyetinden dolayı genellikle çok düşüktür - her 10–100 milyon bazda 1 hata -. DNA'daki değişim oranını artıran süreçlere mutajenik denir: mutajenik kimyasallar, genellikle baz eşleşmesi yapısına müdahale ederek DNA replikasyonundaki hataları teşvik ederken, UV radyasyonu DNA yapısına zarar vererek mutasyonları tetikler. DNA'da kimyasal hasar da doğal olarak meydana gelir ve hücreler, uyumsuzlukları ve kırılmaları onarmak için DNA onarım mekanizmalarını kullanır. Ancak onarım her zaman orijinal sırayı geri yüklemez. Özellikle önemli bir DNA hasarı kaynağı, hücresel aerobik solunum tarafından üretilen reaktif oksijen türleri gibi görünmektedir ve bunlar mutasyonlara yol açabilir.

DNA değişimi ve genleri yeniden birleştirmek için kromozomal geçiş kullanan organizmalarda, hizalama sırasında hatalar mayoz da mutasyonlara neden olabilir. Çaprazlamadaki hatalar, özellikle benzer diziler, partner kromozomlarının hatalı bir hizalama benimsemesine neden olduğunda olasıdır; bu, genomlardaki bazı bölgeleri bu şekilde mutasyona daha yatkın hale getirir. Bu hatalar, DNA dizisinde büyük yapısal değişiklikler (kopyalar, tersine çevirmeler, tüm bölgelerin silinmesi) veya farklı kromozomlar arasında dizilerin tüm parçalarının yanlışlıkla değiş tokuşu (kromozom translokasyonu) yaratır.

Doğal seçilim ve evrim

Mutasyonlar bir organizmanın genotipini değiştirir ve bazen bu, farklı fenotiplerin ortaya çıkmasına neden olur. Çoğu mutasyonun bir organizmanın fenotipi, sağlığı veya üreme sağlığı üzerinde çok az etkisi vardır. Etkisi olan mutasyonlar genellikle zararlıdır, ancak bazen bazıları faydalı olabilir. Sinek Drosophila melanogaster üzerinde yapılan araştırmalar, bir mutasyonun bir gen tarafından üretilen bir proteini değiştirmesi durumunda, bu mutasyonların yaklaşık yüzde 70'inin zararlı olacağını ve geri kalanın da ya nötr ya da zayıf şekilde yararlı olacağını öne sürüyor. p> Popülasyon genetiği, genetik farklılıkların popülasyonlar içindeki dağılımını ve bu dağılımların zaman içinde nasıl değiştiğini inceler. Bir popülasyondaki bir alel sıklığındaki değişiklikler, esas olarak, belirli bir alelin organizmaya seçici veya üreme avantajı sağladığı doğal seçilimden ve ayrıca mutasyon, genetik sürüklenme, genetik otostop, yapay seçilim ve göç gibi diğer faktörlerden etkilenir. .

Birçok nesil boyunca, organizmaların genomları önemli ölçüde değişebilir ve bu da evrimle sonuçlanabilir. Adaptasyon adı verilen süreçte, faydalı mutasyonların seçilmesi, bir türün, çevrelerinde daha iyi hayatta kalabilecek formlara dönüşmesine neden olabilir. Yeni türler, genellikle popülasyonların birbirleriyle gen alışverişini engelleyen coğrafi ayrımların neden olduğu türleşme süreciyle oluşur.

Farklı türlerin genomları arasındaki homolojiyi karşılaştırarak, aralarındaki evrimsel mesafeyi ve ne zaman ayrıldıklarını hesaplamak mümkündür. Genetik karşılaştırmalar, genellikle türler arasındaki ilişkiyi karakterize etmek için fenotipik özelliklerin karşılaştırılmasından daha doğru bir yöntem olarak kabul edilir. Türler arasındaki evrimsel mesafeler, evrimsel ağaçları oluşturmak için kullanılabilir; Bu ağaçlar, birbirleriyle ilgisiz türler (yatay gen transferi olarak bilinir ve en çok bakterilerde yaygındır) arasında genetik materyal transferini göstermemelerine rağmen, zaman içinde türlerin ortak soyunu ve ıraksamasını temsil eder.

Model organizmalar

Genetikçiler başlangıçta çok çeşitli organizmalarda kalıtım üzerinde çalışmış olsalar da, araştırmacılar belirli bir organizma alt kümesinin genetiğini incelemek konusunda uzmanlaşmaya başladı. Belirli bir organizma için halihazırda önemli araştırmaların var olması gerçeği, yeni araştırmacıları daha ileri çalışmalar için seçmeye teşvik edecek ve bu nedenle sonunda birkaç model organizma çoğu genetik araştırmasının temeli haline geldi. Model organizma genetiğindeki yaygın araştırma konuları arasında gen regülasyonu ve genlerin gelişim ve kanserdeki rolünün incelenmesi yer alır.

Organizmalar kısmen kolaylık sağlamak için seçildi - kısa nesil süreleri ve kolay genetik manipülasyon bazı organizmaları yaptı popüler genetik araştırma araçları. Yaygın olarak kullanılan model organizmalar arasında bağırsak bakterisi Escherichia coli , Arabidopsis thaliana bitkisi, ekmek mayası ( Saccharomyces cerevisiae ), nematod Caenorhabditis bulunur elegans , ortak meyve sineği ( Drosophila melanogaster ) ve sıradan ev faresi ( Mus musculus ).

Tıp

Tıbbi genetik, genetik çeşitliliğin insan sağlığı ve hastalıkla nasıl bir ilişkisi olduğunu anlamaya çalışır. Bir hastalığa dahil olabilecek bilinmeyen bir geni ararken, araştırmacılar hastalıkla ilişkili genom üzerindeki konumu bulmak için genellikle genetik bağlantı ve genetik soyağacı çizelgeleri kullanırlar. Nüfus düzeyinde, araştırmacılar, tek bir gen tarafından açıkça tanımlanmayan multigenik özellikler için özellikle yararlı bir yöntem olan, genomda hastalıklarla ilişkili konumları aramak için Mendelian randomizasyonundan yararlanır. Bir aday gen bulunduğunda, model organizmaların karşılık gelen (veya homolog) genleri üzerinde daha fazla araştırma yapılır. Genotipleme yöntemlerinin artan kullanılabilirliği, genetik hastalıkları incelemeye ek olarak, farmakogenetik alanına da yol açmıştır: Genotipin ilaç yanıtlarını nasıl etkileyebileceğinin incelenmesi.

Bireylerin kalıtsal kanser ve kanser geliştirme eğilimleri farklıdır. genetik bir hastalıktır. Vücuttaki kanser gelişimi süreci, olayların bir kombinasyonudur. Mutasyonlar bazen vücuttaki hücreler bölünürken meydana gelir. Bu mutasyonlar herhangi bir yavru tarafından miras alınmasa da, hücrelerin davranışlarını etkileyebilir ve bazen daha sık büyümelerine ve bölünmelerine neden olabilirler. Bu süreci durdurmaya çalışan biyolojik mekanizmalar var; Hücre ölümünü tetiklemesi gereken uygun olmayan şekilde bölünen hücrelere sinyaller verilir, ancak bazen hücrelerin bu mesajları görmezden gelmesine neden olan ek mutasyonlar meydana gelir. Vücutta bir iç doğal seçilim süreci meydana gelir ve sonunda hücrelerde kendi büyümelerini teşvik etmek için mutasyonlar birikerek, vücudun çeşitli dokularını büyüten ve istila eden kanserli bir tümör yaratır.

Normalde, bir hücre yalnızca içinde bölünür. büyüme faktörleri adı verilen sinyallere yanıt verir ve çevredeki hücrelerle temas ettiğinde ve büyüme inhibe edici sinyallere yanıt olarak büyümeyi durdurur. Daha sonra genellikle sınırlı sayıda bölünür ve diğer organlara göç edemediği epitel içinde kalarak ölür. Bir kanser hücresi olmak için, bir hücrenin birkaç gende (üç ila yedi) mutasyonlar biriktirmesi gerekir. Bir kanser hücresi, büyüme faktörü olmadan bölünebilir ve inhibe edici sinyalleri göz ardı edebilir. Ayrıca ölümsüzdür ve komşu hücrelerle temas ettikten sonra bile sonsuza kadar büyüyebilir. Epitelden ve nihayetinde birincil tümörden kaçabilir. Daha sonra, kaçan hücre bir kan damarının endotelini geçebilir ve yeni bir organı kolonileştirmek için kan dolaşımı ile nakledilebilir ve ölümcül metastaz oluşturur. Küçük bir kanser fraksiyonunda bazı genetik yatkınlıklar olsa da, ana fraksiyon, tümörü oluşturmak için bölünecek ve bulaşmayan bir veya az sayıda hücrede başlangıçta ortaya çıkan ve biriken bir dizi yeni genetik mutasyondan kaynaklanmaktadır. nesil (somatik mutasyonlar). En sık görülen mutasyonlar, p53 proteini, bir tümör baskılayıcı veya p53 yolunda işlev kaybı ve Ras proteinlerinde veya diğer onkojenlerde işlev mutasyonlarının kazanılmasıdır.

Araştırma yöntemleri

DNA laboratuvarda işlenebilir. Kısıtlama enzimleri, DNA'yı belirli dizilerde keserek tahmin edilebilir DNA parçaları üreten yaygın olarak kullanılan enzimlerdir. DNA fragmanları, fragmanları uzunluklarına göre ayıran jel elektroforezi kullanılarak görselleştirilebilir.

Ligasyon enzimlerinin kullanılması, DNA fragmanlarının bağlanmasına izin verir. Araştırmacılar, DNA fragmanlarını farklı kaynaklardan birbirine bağlayarak ("bağlayarak"), genellikle genetiği değiştirilmiş organizmalarla ilişkili DNA olan rekombinant DNA oluşturabilirler. Rekombinant DNA, genellikle plazmitler bağlamında kullanılır: üzerlerinde birkaç gen bulunan kısa dairesel DNA molekülleri. Moleküler klonlama olarak bilinen süreçte, araştırmacılar, plazmidleri bakterilere ekleyerek ve daha sonra bunları agar plakalarında kültürleyerek (bakteri hücrelerinin klonlarını izole etmek için - "klonlama", klonlama oluşturmanın çeşitli yollarını da ifade edebilir. " klonal ") organizmalar).

DNA, polimeraz zincir reaksiyonu (PCR) adı verilen bir prosedür kullanılarak da çoğaltılabilir. PCR, spesifik kısa DNA dizilerini kullanarak hedeflenen bir DNA bölgesini izole edebilir ve üssel olarak büyütebilir. PCR, son derece küçük miktarlarda DNA'dan çoğaltabildiğinden, aynı zamanda, belirli DNA dizilerinin varlığını tespit etmek için de sıklıkla kullanılır.

DNA dizileme ve genomik

DNA dizileme, en çok Genetiği incelemek için geliştirilen temel teknolojiler, araştırmacıların DNA parçalarındaki nükleotidlerin sırasını belirlemelerine olanak tanır. 1977'de Frederick Sanger liderliğindeki bir ekip tarafından geliştirilen zincir sonlandırma dizileme tekniği, DNA parçalarını sıralamak için hala rutin olarak kullanılmaktadır. Araştırmacılar, bu teknolojiyi kullanarak birçok insan hastalığıyla ilişkili moleküler dizileri inceleyebildiler.

Dizileme daha ucuz hale geldikçe, araştırmacılar, birçok organizmanın genomlarını, genom birleştirme adı verilen bir işlemle sıraladılar. birçok farklı parçadan dizileri birleştirmek için hesaplama araçları. Bu teknolojiler, 2003 yılında tamamlanan İnsan Genom Projesinde insan genomunu sıralamak için kullanıldı. Yeni yüksek verimli sıralama teknolojileri, bir insan genomunu yeniden dizilemenin maliyetini bine indirmeyi umarken, birçok araştırmacı DNA dizilemesinin maliyetini önemli ölçüde düşürüyor.

Yeni nesil dizileme (veya yüksek verimli sıralama), düşük maliyetli dizileme için sürekli artan talep nedeniyle ortaya çıktı. Bu sıralama teknolojileri, potansiyel olarak milyonlarca dizinin eşzamanlı olarak üretilmesine izin verir. Mevcut büyük miktarda dizi verisi, organizmaların tüm genomlarındaki kalıpları aramak ve analiz etmek için hesaplama araçlarını kullanan araştırma olan genomik alanını yaratmıştır. Genomik, büyük biyolojik veri kümelerini analiz etmek için hesaplama yaklaşımlarını kullanan biyoinformatiğin bir alt alanı olarak da düşünülebilir. Bu araştırma alanlarındaki ortak sorun, insan öznesi ve kişisel olarak tanımlanabilir bilgilerle ilgili verilerin nasıl yönetileceği ve paylaşılacağıdır.

Toplum ve kültür

19 Mart 2015'te, bir grup Önde gelen biyologlar, insan genomunu miras alınabilecek bir şekilde düzenlemek için yöntemlerin klinik kullanımının, özellikle CRISPR ve çinko parmak kullanımının dünya çapında yasaklanmasını istedi. Nisan 2015'te Çinli araştırmacılar, CRISPR kullanarak cansız insan embriyolarının DNA'sını düzenlemek için temel araştırma sonuçlarını bildirdi.