Geenitriiv

Geenitriiv ehk geneetiline triiv (inglise genetic drift, random genetic drift, allelic drift) on geeni alleelide (ja mittegeensete geneetiliste markerite alleelsete variantide) sageduse juhuslikud muutused populatsiooni järjestikustes põlvkondades juhuvaliku tõttu.

Geenitriivi tagajärjel võib väikestes populatsioonides kergesti väheneda geneetiline mitmekesisus

Järglase alleelide kombinatsioon on vanematelt juhuslikul moel pärandunud, mistõttu see, kas üks või teine isend jääb ellu ning saab järglasi, oleneb mingil määral juhusest. Mingi alleeli sagedus (alleelisagedus) populatsioonis on selle alleeli eksemplaride osatähtsus selle alleeli eksemplaride hulgas. Geneetilise triivi tagajärjel võib osa alleele (geenivariante) kaduda, nii et geneetiline mitmekesisus väheneb.

Geenitriivi mõju on seda suurem, mida väiksem on populatsioon. Teadlased vaidlevad ägedalt selle üle, kui suur roll võrreldes loodusliku valikuga on evolutsioonis neutraalsetel protsessidel, sealhulgas geenitriivil. Ronald Fisher oli seisukohal, et geenitriivi roll evolutsioonis on tagasihoidlik või olematu, ja see vaade jäi mitmeks aastakümneks valdavaks. Vaidlus läks uue hooga käima, kui 1968. aastal esitas Motoo Kimura oma molekulaarse evolutsiooni neutraalse teooria, mille väitel geneetiline muutus (mis ei pea tingimata avalduma fenotüübis) fikseerub populatsioonis enamasti just geenitriivi tagajärjel .

Analoogia värvipurkide

Maalril P₁ on auto pakiruumis 20 värvipurki, millest 10 sisaldavad punast ja 10 sinist värvi. Teine maaler (P₂, kes esindab järgmist põlvkonda) saabub esimese juurde 20 tühja värvipurgiga, et see need täidaks. Esimene maaler haarab ükshaaval kaasa täitmist ootavaid purke, täidab need juhuslikult valitud kanistrist ja viib need tagasi P₂-le. Nõnda jätkates on varsti kõik 20 purki täidetud. (Teeme eelduse, et purgist võib lõputult värvi võtta.)

P₂ võtab värvipurgid ja kohtub peatselt maalriga, kellel on nimeks P₃ ning kellel on jällegi 20 tühja purki. P₂ täidab need juhuslikult valitud purkidest. Varsti tuleb P₃-lt värvi küsima P₄ ja kõik kordub sama stsenaariumi alusel järjest uute maalritega. Lõpuks jõuab kätte olukord, kus ühel maalril olevad purgid on täidetud ainult ühe värviga.

On ilmne, et selline sündmus võib toimuda mis tahes põlvkonnas: näiteks P₁ võib juhuslikult purke täites iga kord punase värvi valida ja P₂-l puuduks pärast seda igasugune võimalus P₃-le sinist värvi anda. Pisut vähem ilmne on see, et säärase sündmuse toimumise tõenäosus on seda väiksem, mida suurem on täidetavate purkide arv (ehk populatsiooni suurus). 20 purgi puhul on P₁-l tõenäosus valida iga kord punane värv (1/2)²⁰ ehk umbes üks miljondik ja ka koos igakord sinise värvi valimise võimalusega on tõenäosus kõigest 1/524 288. Kui aga purke on juba 200, siis on iga kord punase värvi valiku tõenäosus umbes 1/1,6×10⁶⁰, mis on väiksem kui tõenäosus valida konkreetne aatom kõigi Päikese aatomite seast.

Suurem värvipurkide arv annab parema valimi: mida suurem on värvipurkide arv, seda tõenäolisem on, et järgmises põlvkonnas jääb punase ja sinise värvi purkide vahekord lähedaseks sellele, mis oli eelmises põlvkonnas. Geenitriivi mõju on suuremates populatsioonides väiksem: mingi alleeli sagedus (meie näites punaste värvipurkide arv) muutub suuremate populatsioonide puhul aeglasemalt. Väikestes populatsioonides võib see aga toimuda väga kiiresti. Geenitriivi tõttu on seega väikestel populatsioonidel kalduvus kiiremini geneetilist mitmekesisust kaotada ja suurematel populatsioonidel on tendents olla geneetiliselt mitmekesisem.

Siinses simulatsioonis toimub "sinise alleeli" fikseerumine viie põlvkonna jooksul. Simulatsiooni vaatamiseks klõpsa pildil

Tõenäosus ja alleelisagedus

Suurte arvude seadus tõenäosusteoorias ennustab, et suurtes populatsioonides on aja jooksul toimuvad muutused väikesed. Kui aga järglasi andvate isendite arv on väike, võivad alleelisagedused "valimivea" tõttu märgatavalt muutuda. Sellepärast peetakse geneetilist triivi oluliseks evolutsioonimehhanismiks just väikeste ja isoleeritud populatsioonide puhul.

Eelnevaga on seotud ka Wahlundi efekt: jagunenud alamstruktuuriga populatsioonides on rohkem homosügoote kui sama suures segapopulatsioonis.

Väikese populatsiooni kalduvust geenitriivi tagajärjel kergesti muutuda võib illustreerida ühe lihtsustatud näitega. Kujutame ette, et meil on suur bakterikoloonia, millesse kuuluvad bakterid on geneetiliselt peaaegu täiesti identsed – erinevusi on ainult ühes geenis. Seejuures kannavad pooled bakterid selle geeni alleeli A ja pooled bakterid alleeli B ehk alleelisagedus on mõlemal geenivariandil 50%. Oletame, et need on neutraalsed alleelid: bakteri võime ellu jääda ja paljuneda ei sõltu sellest, kumb alleel tal on.

Bakteritel lastakse pikka aega soodsates tingimustes elada ja paljuneda. Suure tõenäosusega alleelisagedused ajas eriti ei muutu ja säilivad mõlemal geenivariandil 50% juures. Kui aga elutingimused oluliselt halvenevad ja valdav osa bakteritest hukkub, siis võib geenitriiv hakata mõju avaldama.

Oletame, et järele on jäänud ainult neli bakterit. Nüüd on meil 16 võimalust, kuidas alleelid võivad olla bakterite vahel jagunenud. Võimalikud on järgmised kombinatsioonid:

(A-A-A-A), (B-A-A-A), (A-B-A-A), (B-B-A-A),
(A-A-B-A), (B-A-B-A), (A-B-B-A), (B-B-B-A),
(A-A-A-B), (B-A-A-B), (A-B-A-B), (B-B-A-B),
(A-A-B-B), (B-A-B-B), (A-B-B-B), (B-B-B-B).

Alleelide A ja B jaotuste tõenäosused on järgmised:

A	B	Kombinatsioonid	Tõenäosus
4	0	1	1/16
3	1	4	4/16
2	2	6	6/16
1	3	4	4/16
0	4	1	1/16

Iga võimaliku kombinatsiooni tõenäosus on:

${\displaystyle {\frac {1}{2}}\cdot {\frac {1}{2}}\cdot {\frac {1}{2}}\cdot {\frac {1}{2}}={\frac {1}{16}}}$

kus 1/2 (alleeli A või B esinemise tõenäosus) korrutatakse neljaga, sest ellujäänud baktereid on neli.

Nagu tabelist näha võib, on selliseid kombinatsioone, kus alleelide A ja B arv on võrdne, kokku 6. See tähendab, et alleelide omavahelise võrdse jaotumise tõenäosus (6/16) jääb oluliselt alla alternatiivsetele võimalustele (10/16).

Kõigi võimalike kombinatsioonide arvu saab väljendada binoomkordaja abil ja tuletada Pascali kolmnurgast. Iga esineda võiva kombinatsiooni arvu saab leida järgneva valemi abil:

${\displaystyle {N \choose k}(1/2)^{N}\!}$

kus N vastab bakterite arvule ja k märgib A (või B) alleelide hulka kombinatsioonis. Funktsioon '()' tähistab binoomkordajat ja seda võib väljendada kui "N valib k". Selle valemi kasutamine, et leida tõenäosus, kus neljal ellujäänud bakteril on kaks A ja kaks B alleeli, näeb välja järgmine:

${\displaystyle {4 \choose 2}\left({\frac {1}{2}}\right)^{4}=6\cdot {\frac {1}{16}}={\frac {6}{16}}}$

Geenitriiv leiab aset, kui populatsiooni alleelisagedused muutuvad juhuslike sündmuste tõttu. Eelnevas näites jäi suurest populatsioonist alles kõigest 4 ellujääjat ning sellist populatsioonisuuruse tugevat kahanemist nimetatakse pudelikaela efektiks. Kui algses bakterikoloonias oli A ja B alleeli kandjaid võrdselt, siis allesjäänute seas on võrdse jaotuse säilimise tõenäosus 6/16 ning geenitriivi toimumise tõenäosus 10/16.

Wrighti-Fisheri mudel

Võtame taas kasutusele geeni, millel on kaks alleeli: A ja B. Diploidses populatsioonis, mis koosneb N arvust individuaalidest on iga geeni kokku 2N. Ühel indiviidil võib olla kas kaks koopiat ühte ja sama alleeli või üks koopia ühte ja teine teist. Tähistame esimese alleeli sageduse tähega p ja teise alleeli sageduse tähega q.

Wrighti-Fisheri mudel eeldab, et põlvkonnad ei kattu. Näiteks üheaastastel taimedel on iga aasta uus põlvkond. Iga geenikoopia, mida annab uuest põlvkonnast leida, jõudis sinna juhuvaliku tõttu vanempõlvkonna samade geenide hulgast. Valem, mille järgi arvutada tõenäosust, et edasi kandub k koopiat alleeli, mille sagedus eelnevas põlvkonnas oli p, on

${\displaystyle {\frac {(2N)!}{k!(2N-k)!}}p^{k}q^{2N-k}}$

kus sümbol "!" tähistab faktoriaalset funktsiooni. Seda avaldist võib samuti formuleerida kasutades binoomkordajat:

${\displaystyle {2N \choose k}p^{k}q^{2N-k}}$

Morani mudel

Morani mudel eeldab põlvkondade ülekattumist. Igal sammul valitakse üks indiviid, kes sureb, ja üks indiviid, kes annab järglase. Nõnda võib iga sammuga valitud alleeli sagedus kasvada ühe võrra, langeda ühe võrra või jääda samaks. See tähendab, et ülemineku maatriks on tridiagonaalne – see tähendab, et matemaatiliste lahendite leidmine on Morani mudeli puhul lihtsam kui Wrighti-Fisheri mudeli puhul. Samas on arvutisimulatsioonides hõlpsam kasutada viimast kuna see vajab vähem samme lahendini jõudmiseks. Kui Morani mudelis kulub N sammu, et ühe põlvkonnaga valmis saada (N on siin efektiivne populatsioonisuurus), siis Wrighti-Fisheri mudelis piisab ühest sammust põlvkonna kohta.

Praktikas annavad Morani mudel ja Wrighti-Fisheri mudel kvalitatiivselt sarnaseid tulemusi, aga geneetiline triiv toimub Morani mudelis kaks korda kiiremini.

Valimiveale lisanduvad juhuslikud tegurid

Juhuslikud muudatused alleelide esinemissageduses võivad lisaks geenitriivi poolt põhjustatud valikuveale olla tingitud ka näiteks valikusurvest.

Üheks oluliseks alternatiivseks stohhastiliseks allikaks, võimalik et isegi olulisemaks kui geneetiline triiv, on aheldatuse tasakaalutus (linkage disequilibrium), mis võimaldab neutraalsetel või isegi kergelt kahjulikel alleelidel kasulike geenide lähedusse sattudes nendega "järgmistesse põlvkondadesse kaasa hääletada" (genetic hitchhiking). See tähendab, et tekkinud mutatsiooni levikut populatsioonis võib oluliselt mõjutada see, milliste geenide lähedusse see tekkis. Kuna lähestikku paiknevad geenid päranduvad enamasti edasi koos, ühes aheldusrühmas, siis võib ka neutraalne alleel kiirelt populatsioonis levida, kui selle geenivariandi kõrval on mõni olulist tunnust kodeeriv geen, mille variant on antud tingimustes isendile väga kasulik. Ehk kui toimub mingi kasuliku alleeli sageduse fikseerumine populatsioonis, siis viib ta endaga kaasa ka hulga neutraalseid lookusi.

Koospärandumine on seda tõenäolisem, mida lähemal geenid kromosoomis üksteisele asuvad ja sellest tulenevalt saab sellises olukorras kasutada erinevaid matemaatilisi mudeleid, mis aitavad ennustada alleelisageduste muutuseid ajas. Aheldatuse tõttu on geenid kaotanud osa oma sõltumatusest. Siin väljendub sõltumatus asjaolus, et järglaspõlvkonna alleelisagedus sõltub ainult vanemate alleelisagedusest ja mitte varasematest populatsioonidest: seda nimetatakse Markovi omaduseks.

Triiv ja fikseerumine

Hardy-Weinbergi mudeli järgi püsivad piisavalt suures ja vabalt ristuvas populatsioonis alleelisagedused muutumatutena ka põlvkondade vaheldudes, kui seda tasakaalu ei häiri migratsioon, mutatsioonid või valik.

Geenitriivi käigus ei omanda populatsioon uusi alleelivariante, kuigi juhuvalik võib tingida osade alleelide kaotsimineku. Kui populatsioon on piisavalt arvukas ning looduslik valik ja mittejuhuslik ristumine ei mõjuta geneetilist varieeruvust on populatsioon Hardy-Weinbergi tasakaalus. Kui genotüübisagedustest on alati võimalik arvutada alleelisagedused, siis vastupidine (ehk alleelisagedustest genotüübisageduse arvutamine) on võimalik vaid ennustusena, mis on täpne kui populatsioon on Hardy-Weinbergi tasakaalus. Seega saab nõnda tuvastada valiku või mittejuhusliku ristumise toimumist populatsioonis.

Kui alleel saavutab aja jooksul sageduse 1 (100%), siis on see fikseerunud. Kui aga alleel jõuab sagedusele 0 (0%), siis tähendab see, et mitte ükski populatsiooni liige seda alleeli enam ei kanna ning populatsiooni jaoks on see kadunud. Pärast alleeli fikseerumist ei saa sellele toimuda geenitriiv, kuni mutatsioon või geenivool ei too just lisaks mõnda uut geenivarianti. Seega saab geneetiline triiv toimida ainult geneetilist mitmekesisust vähendava tegurina.

Näide geneetilise triivi toimest

Fikseerumiseks või kadumiseks kuluv aeg

Kümme arvuti poolt genereeritud simulatsiooni juhusliku geneetilise triivi mõjust üksikule alleelile vaadelduna viiekümne põlvkonna vältel. Algne alleelisagedus on 0,5 ja vaadeldud on selle võimalikku muutumist kolme populatsioonisuuruse (20, 200 ja 2000) juures. Alleeli kadumine või fikseerumine (vastavalt siis sagedusele 0,0 või 1,0) toimub märgatavalt kiiremini väikestes populatsioonides

Eeldades, et geneetiline triiv on ainuke evolutsiooniline jõud, mis alleelile mõjub, siis näitab igal ajahetkel parasjagu populatsioonis esinev alleelisagedus sellesama alleeli fikseerumise tõenäosust. Näiteks kui alleeli A sagedus p on 75% ja alleeli B sagedus q on 25%, siis piiramatu aja olemasolul fikseerub alleel A tõenäosusega 75% ja alleel B tõenäosusega 25%.

Fikseerumiseks kuluv aeg, mida mõõdetakse põlvkondade arvuga, on hinnatav tõenäosusega ning see on võrdeline populatsioonisuurusega ehk fikseerumiseks kulub kõigi eelduste kohaselt väiksemas populatsioonis vähem aega. Tavalisel kasutatakse selliste võimaluste hindamisel efektiivset populatsioonisuurust (N_e), mis on tavaolukorras väiksem kui reaalne populatsioonisuurus. See võtab arvesse sääraseid faktoreid nagu inbriiding, eluperiood, millal populatsioonisuurus on väikseim, ja fakti, et osad neutraalsed geenid on aheldunud geenide külge, millele rakendub valik. Efektiivne populatsioonisuurus ei pruugi iga ühes populatsioonis esineva geeni jaoks ühesugune olla.

Üks valem, mida kasutatakse neutraalse alleeli fikseerumiseks kuluva aja ligikaudseks hindamiseks geenitriivi kaudu vastavalt Wrighti-Fisheri mudelile, on järgmine: ${\displaystyle {\bar {T}}_{fixed}={\frac {-4N_{e}(1-p)\ln(1-p)}{p}}}$

Selles märgib T põlvkondade arvu, N_e on efektiivne populatsioonisuurus ja p tähistab algset alleelisagedust. Lahend annab meile põlvkondade arvu, mis eelduste kohaselt kulub selleks, et toimuks mingi konkreetse alleeli fikseerumine (mille sagedus on p) populatsioonis suurusega (N_e).

Aega, mis hinnanguliselt peaks kuluma neutraalse alleeli kadumiseks populatsioonist geenitriivi tagajärjel, annab arvutada järgnevalt:

${\displaystyle {\bar {T}}_{lost}={\frac {-4N_{e}p}{1-p}}\ln p.}$

Neid arvutusi kasutatakse ka sel eesmärgil, et hinnata, mis mõju võib geenitriiv avaldada mutatsiooni käigus tekkinud uuele alleelile. Arvestades geneetilise triivi mõju neutraalsele alleelile suures populatsioonis (mille puhul võib eeldada, et kõik sai alguse ühest mutatsioonist ja seega on alleeli algne sagedus nõnda väike, et selle võib valemist välja arvata), siis võib valemit ka järgnevalt lihtsustada:

${\displaystyle {\bar {T}}_{fixed}=4N_{e}}$

Keskmine põlvkondade arv, mis kuluks neutraalse alleeli fikseerumiseks.

${\displaystyle {\bar {T}}_{lost}=2\left({\frac {N_{e}}{N}}\right)\ln(2N)}$

Keskmine põlvkondade arv, mis kuluks neutraalse alleeli kadumiseks.

Olukordades, kus N_e ja N on eelduste kohaselt võrdsed, on fikseerumiseks kuluva aja suhe kadumiseks kuluva ajaga järgnev:

${\displaystyle {\frac {2N}{\ln(2N)}}.}$

Geneetiline triiv vs. ja looduslik valik

Kuigi mõlemad protsessid mõjutavad evolutsiooni, toimib geenitriiv juhuslikult ja looduslik valik suunatult. Ehk sellel ajal kui valik veab populatsioone suurema kohasuse suunas ja võimaldab neil nõnda muutuvate keskkonnatingimustega paremini kaasas käia, juhindub triiv ainult matemaatilisest tõenäosusest. Selle tulemusena toimib triiv genotüübi sagedusele hoolimata fenotüübilistest mõjudest. Valik aga eelistab alleele, mis avaldavad positiivset mõju fenotüübile (suurendades seeläbi organismi võimet ellu jääda ja järglasi anda) ning pärsib kahjulike alleelide sagedust, kuid ignoreerib neutraalseid muudatusi genoomis.

Looduslikes populatsioonides ei toimi geneetiline triiv ja looduslik valik üksteisest isoleeritutena – mõlemad jõud on pidevas tegevuses ja mõjutavad üksteist. Siiski oleneb suuresti populatsioonisuurusest, kui palju saab populatsiooni mõjutada triiv ja kui palju valik. Geenitriivi roll suureneb oluliselt väikestes populatsioonides ja ületab valikut, kui selektsioonikoefitsient on väiksem kui 1 jagatuna efektiivse populatsioonisuurusega. Seepärast toimib triiv alleelisagedustele palju edukamalt just väikestes populatsioonides.

Kui alleelisagedus on äärmiselt madal, siis võib geenitriiv sellistele harvadele alleelidele looduslikust valikust palju suuremat toimet avaldada ja seda ka suurtes populatsioonides. Näiteks, kui kahjulikud mutatsioonid kaovad suurtes populatsioonides valiku tõttu kiirelt, siis vasttekkinud kasulikud mutatsioonid võivad geenitriivi toimel sama kergelt kaduma minna kui neutraalsed mutatsioonid, sest triiv neil vahet ei tee, ning valik ei pruugi jõuda nende hulka kasvatama hakata. Valik hakkab selliste uute mutatsioonide levikut jõulisemalt soodustama alles siis, kui nende hulk ületab teatava lävendi ning nad ei ole enam sellisel määral juhuse meelevallas.

Geneetilise triiviga seotud matemaatika oleneb suuresti efektiivsest populatsioonisuurusest, kuid ei ole päris kindel, kuidas see seostub tegelikku populatsiooni moodustavate indiviidide arvuga. Aheldatus loodusliku valiku all olevate geenidega võib neutraalsetele alleelidele vähendada efektiivset populatsioonisuurust. Mida suurem on homoloogilise rekombinatsiooni sagedus, seda nõrgemaks jääb aheldatuse mõju ning koos sellega ka efektiivse populatsioonisuuruse avaldatav efekt. See efekt on nähtav molekulaarses andmestikus korrelatsioonina rekombinatsioonisageduse ja geneetilise mitmekesisuse vahel ning negatiivse korrelatsioonina geenide tiheduse ja mittekodeerivate regioonide mitmekesisuse vahel (ehk mida pikema vahemaa tagant geenid genoomis paiknevad, seda suurem on nende vahele jäävate mittekodeerivate regioonide mitmekesisus). Juhusest sõltuv seos teiste geenidega, mis on valiku all, ei ole sama, mis valimiviga ning seetõttu nimetatakse seda aheldatuse tasakaalutuseks, et eristada viimast geneetilisest triivist.

Kontseptsiooni ajalugu

Geenitriivi kontseptsiooni tutvustas esmakordselt Sewall Wright, kes kuulus ühtlasi populatsioonigeneetika rajajate sekka. Ta kasutas esmakordselt sõna "triiv" (drift) 1929. aastal ilmunud artiklis "The evolution of dominance", kuigi sel ajal pidas ta selle all silmas veel suunatud protsesse (mitte juhuslikke, nagu geenitriiv tegelikkuses on) või siis loodusliku valiku protsesse. Veidi hiljem, kuid siiski veel samal aastal, kasutas Wright seda mõistet juba viitamaks täiesti juhuslikele protsessidele või valimivea tõttu tekkida võivatele muutustele. See sai tuntuks kui "Sewall-Wrighti efekt", kuigi Wrightile endale säärane nimi päris meeltmööda ei olnud – ta eelistas ise "juhuslikku triivi" (drifting at random). Tehnilise terminina, märkimaks stohhastilist protsessi, leidis "triiv" aga peatselt laialdast kasutust.

"Kohasuse maastik", kus nn mäetipud märgivad kõrgema kohasusega kombinatsioone populatsioonis

Sünteetilise evolutsiooniteooria algusajal, kui teadlased olid alles alustanud populatsioonigeneetika liitmist Charles Darwini loodusliku valiku teooriaga, keskendus Wright inbriidingu mõjule väikestes ja suhteliselt isoleeritud populatsioonides. Ta tutvustas kohasuse maastiku (adaptive landscape ehk fitness landscape) kontseptsiooni, mille puhul võivad ristumine ja geenitriiv väikestes populatsioonides neid kergelt kohasuse küngastelt (adaptive peaks) ära tõugata, võimaldades seetõttu looduslikul valikul neid uute kõrgema kohasusega geenikombinatsioonide suunas lükata (seda võib näitlikustada kõrvaloleva joonise abil, kus A tähistaks ühte lokaalset kohasuse maksimumi. Kui populatsioon kalduks antud maksimumilt piisavalt palju kõrvale, siis võib ta selle tulemusena liikuma hakata ka hoopis kõrgema kohasusega geenikombinatsioonide suunas (B).). Wright pidas väikeseid populatsioone looduslikule valikule enam meelepäraseks, kuna "inbriiding on nendes piisavalt intensiivne, loomaks geenitriivi kaudu uusi integreeruvaid süsteeme, aga samas mitte liiga intensiivne, et põhjustada juhuslike mitteadaptiivsete geenide fikseerumist."

Wrighti vaated geneetilise triivi rollile evolutsiooni kontekstis põhjustasid algusest peale vastuolusid. Üks kõige häälekam ja mõjukam kriitik oli seejuures tema kolleeg Ronald Fisher, kes nõustus küll sellega, et geenitriiv võis evolutsioonis mõningast rolli mängida, kuid tema arvates oli see osa üsna tagasihoidlik. Samas on Fisherit süüdistatud ka Wrighti vaadete mittemõistmises, kuna tema kriitika viitas justkui sellele, nagu Wright oleks valiku rolli evolutsioonis praktiliselt kõrvale jätnud. Fisheri jaoks oli evolutsioon kui pikk, stabiilne ja adaptiivne (ehk suurema kohasuse suunas liikuv) protsess, sest muul viisil ei saaks seletada lihtsate eluvormide järjest keerukamaks muutumist. Nõnda jätkusid arutelud gradualistide ja Wrighti mudeli pooldajate vahel, kellest viimased uskusid, et valik ja triiv omavad mõlemat olulist rolli evolutsiooniliste protsesside suunamisel.

1968. aastal puhus populatsioonigeneetik Motoo Kimura uuesti lõkkele arutelud geenitriivi rolli üle, kui ta käis välja oma molekulaarse evolutsiooni neutraalse teooria, mis väidab, et enamus genoomis toimuvatest muudatustest on tingitud geneetilisest triivist, mis rakendub neutraalsetele mutatsioonidele.

Geenitriivi rolli evolutsiooni mõjutava jõuna on kritiseerinud John H. Gillespie ja Will Provine, kes väidavad, et suurem mõju neutraalsete mutatsioonide levikule on hoopis valikul, mis veab tänu geenide aheldatusele soodsamate geenivariantidega kaasa nende külge aheldunud neutraalseid alleele.

Geenivool

Geenivool ehk geenisiire (inglise gene flow) on geneetilise materjali vahetus populatsioonide või populatsiooni allosade vahel isendite migratsiooni ja ristumise teel.

Munarakk

Munarakk (ka ovotsüüt või ootsüüt) on tütarlapse ja naise organismi haploidne paljunemisrakk.

Munarakk

Munaraku diameeter on 120 µm (s.o 0,12 mm). See on inimese ja kõigi teiste imetajate rakkudest kõige suurema läbimõõduga rakk. Ainuke rakk, mis on palja silmaga nähtav (närvirakud oma pikkade aksonjätketega ületavad pikkuses kõiki teisi organismi rakke). Kuna munarakk on nii suur, ei suuda ta ise aktiivselt liikuda. See omadus on otse vastupidine võrreldes ülimobiilse seemnerakuga. Munarakk on kerajas, tema keskel on rakutuum ja ta on kaetud mitmete kestadega. Munarakkudes on haploidne kromosoomistik. Munarakkude ainevahetus on suhteliselt väheaktiivne. Nii väheneb risk kahjulike muutuste tekkeks sugurakkudes. Munarakud tekivad munasarjades. Seda protsessi nimetatakse ovogeneesiks. Kõik munarakud on moodustunud juba lootelise arengu perioodil ja naise elu jooksul neid juurde ei moodustu. Vastsündinu munasarjades on ligikaudu 400 000 munarakku, millest valmib elu jooksul umbes 400. See on 0,1% kogu naise munarakkude kogusest. Viljastatud munarakust, ühest ainsast rakust saab alguse kõikide imetajate ontogenees. Imetajate munaraku avastas 1827. aastal embrüoloogia- ja arengubioloogiaalase uurimistöö käigus Eestist pärit ja Tartu Ülikoolis õppinud teadlane Karl Ernst von Baer.

Sulgrakk

Sulgrakkudeks nimetatakse taimede spetsialiseerunud rakke, mis paaridena ääristavad õhulõhesid. Nad osalevad taime gaasivahetuses, muutes õhulõhe avatust erinevates taimekudedes. Nii toimivadki sulgrakud süsihappagaasi (CO₂₎ ja veeauru väravatena.

Lehe kutiikula mikroskoobi all. Sulgrakud on hästi näha.

Sulgrakke leidub lehtedes, vartes ja teiste gaasivahetusega seotud organite epidermises. Enamikul taimedel paiknevad õhulõhed lehtede alumisel küljel, aga on ka taimi, millel on õhulõhed mõlemal või ainult lehe pealmisel küljel. Kui mullas on piisavalt vett, siis õhulõhed avanevad, sest sulgrakud täituvad veega, paisuvad ja neis olev turgorrõhk suureneb. Veepuuduse korral vähenevad veesisaldus ja turgorrõhk sulgrakkudes ning õhulõhe sulgub. Nii minimeerib taim veekaotust.

Sulgrakud reguleerivad gaasivahetust taime ja väliskeskkonna vahel: hapniku ja vee väljutamist ning süsihappegaasi omastamist. Taimetüübist sõltumata toimub õhulõhede sulgemine ja avamine samal põhimõttel. Sulgrakkudel on samuti kaitsefunktsioon, sest bakterid, saasteained ja seened saavad läbi õhulõhede taime siseneda. Kui taim sellise ohu avastab, sulevad sulgrakud kiirelt õhulõhe. Õhulõhede reguleerimine sulgrakkudega on üks viisidest, kuidas taim tuleb muutuva keskkonnaga toime.

Sulgrakkude uurimise mudelorganismiks on tihti harilik müürlook (Arabidopsis thaliana).

Pilt Brassica chinensis'e lehe õhulõhest

Tähtsus

Taime gaasivahetuse tähtsus seisneb eelkõige taime varustamises süsihappegaasiga. Tänu õhulõhedele saavad taimed piisavalt süsihappegaasi, säilitades võimaluse neid avasid sulgeda. Kui gaasivahetus toimuks läbi taime rakuseinte, siis peaksid need õhemad olema. See aga muudaks taime ebastabiilsemaks. Lisaks suureneks taimest aurustunud vee hulk, kuna taimel poleks mingit võimalust enda veekaotust vähendada.

Vee aurustumine võimaldab taimel enda temperatuuri alandada. Vee aurumine jahutab lehte ning seal olevad ensüümid ei lagune nii kiirelt. Lehtedest aurustuv vesi põhjustab ka vee liikumist juurtest lehtedeni läbi ksüleemi. Vees on lahustunud erinevad mineraalained, mis juurte kaudu pinnasest taime on jõudnud. Tänu vee liikumisele jõuavad need ained ka taime maapealsetesse osadesse. Seega täidavad sulgrakud ja õhulõhe samu funktsioone, mis inimestel süda, suu, nina ja nahk.

Tööpõhimõte ja ehitus

Hariliku kuuse okka ristlõik. Näha on ka mitme sulgraku ristlõige.

Sulgrakul on tuum, vakuoolid, mitokondrid ja kloroplastid. Viimastesse koguneb päeva jooksul tärklis, mis õhulõhede avanedes öö jooksul väheneb. Vakuooli maht kogu raku mahust on väga muutuv suurus, sest avanenud õhulõhe sulgrakkudes võib vakuooli maht moodustada 90% kogu raku mahust. Sulgrakkude sisemine sein on paksem kui välimine. Seetõttu paisuvadki nad väljapoole, tõmmates sisemisi külgi üksteisest eemale. Sulgrakud on nagu kogu epidermis kaetud kutiikulaga, mille üks ülesandeid on veeaurustumist vähendada. Sulgrakke kattev kutiikula erineb tavaliste rakkude omast, sest see laseb vett paremini läbi.

Õhulõhe avanemise ja sulgumise kutsub esile turgorrõhu muutus teda ümbritseva kahe sulgraku sees. Õhulõhe sulgub, kui sulgrakkudes on vähe vett, ja avaneb, kui seal on palju vett. Vesi liigub rakkudesse tänu osmootse rõhu kasvule rakus. Rakus olev veepotentsiaal aga langeb. Selleks peab rakus olema osmootselt aktiivsete ainete kontsentratsioon suurem kui rakust väljas. Seda saavutatakse tänu sulgrakkude plasmamembraanis paiknevatele ATPaasidele, mis pumpavad prootoneid sulgrakust välja. Membraan polariseerub, tekib elektrokeemiline gradient, mille abil saadakse kaaliumioonid sulgrakku. Laengu tasakaalustamiseks liiguvad rakku ka anioonid, milleks on enamasti kloriidioonid, ja fotosünteesi produktidena koguneb rakku ka malaat. Õhulõhed suletakse ATPaasi inhibitsiooni kaudu. Õhulõhede avatust mõjutavad valguse hulk, selle kvaliteet, vee kättesaadavus ja süsihappegaasi kontsentratsioon õhus. Näiteks oleksid sulgrakud paisunud, kui neid valgustada sinise valgusega, anda taimele piisavalt vett ja süsihappegaasi. Lisaks mõjutavad avatust ka erinevad fütohormoonid (abtsiishape ja auksiin).

Õhulõhede avanemine ja sulgumine. Kaaliumi koguse suurenemisel sulgrakkudes langeb nendes oleva vee potentsiaal ning vesi siseneb rakku.1. Sulgrakud (paisunud) 2. Sulgrakud (ahenenud) 3. Õhulõhe avanemine 4. Õhulõhe sulgumine 5. Epidermi rakud 6. Kaaliumioonid 7. Õhulõhe 8. Rakuseinad 9. Kloroplast 10. Vakuool 11. Tuum 12. Vesi

Veepuudusega toimetulek

Taimed taluvad stressi tihti just veepuuduse tõttu, mida põhjustavad põuad ja liigsed soolad. Piiratud vee kättesaadavus põhjustab kahju nii loodusele kui ka põllumajandusele. Taimede põuaga toimetulekut mõjutavad mitmed koostoimivad mehhanismid. Veevaesetes kohtades kasvavad taimed on arenenud veepuudusega toime tulema. Osad samblad taluvad näiteks dessikatsiooni (olukord, kus taimes ja atmosfääris olev niiskussisaldus on võrdne). Leidub kõrbetaimi, kes veedavad kuivaperioodi seemnetena. Samuti kasvatatakse endale hästi sügavaid juuri, hoitakse vett spetsiaalsetes veereservuaarides või loobutakse suurtest lehtedest. Vee kättesaadavuse langedes suunab taim enda ressursse eelistatult juurte kasvatamisse.

Abstsiishapet (ABA), mis on üks taimehormoon, hakatakse taimes tootma stressivastusena veepuudusele. ABA mõjul suleb taim õhulõhed, mis omakorda vähendab transpiratsiooni.

Tulevikus loodetakse luua taimi, mis oskaksid paremini vett kasutada ja oleksid tänu sellele vastupidavamad põudade suhtes.

C₃- ja C₄-taimed sulgevad oma õhulõhed pimedas ja avavad valges. Nende sulgrakkude avanemist põhjustavad ka sinine ja punane valgus. CAM-taimed aga avavad õhulõhesid just pimedas, et minimeerida õhulõhedest aurustuva vee hulka. Nad seovad süsihappegaasi öösiti, et seda kasutada päeval, kui päikesevalguses toimub fotosüntees. CO₂ seotakse orgaaniliste molekulidena, näiteks malaadina.

Kui süsihappegaasi kontsentratsioon õhus kasvab, siis õhulõhed ahenevad, sest ka vähemal määral avatuna on võimalik kätte saada vajalik kogus süsihappegaasi. Veel suletakse õhulõhesid, kui taimel on veepuudus. Nii vähendatakse veekadu läbi transpiratsiooni. Põuaajal hakkab taim tootma abtsiishapet, mis sunnib taimi õhulõhesid sulgema. Õhulõhede avatust võivad mõjutada ka teised taimehormoonid. Samuti suletakse õhulõhed siis, kui õhus on palju osooni, et kaitsta taime sisemisi kudesid oksüdatiivse stressi eest.

Õhulõhede jaotus sulgrakkude järgi

Õhulõhe on auk epidermis, mida ümbritsevad sulgrakud. Sulgrakud mõjutavad õhulõhede juhtivust ehk seda, kui palju vett aurustub lehest välja. Pingutunud sulgrakkude puhul on õhulõhed lahti, nende juhtivus suur ja takistus väike. Õhulõhed saavad oma funktsiooni täitmist tagada ainult tänu sulgrakkude tööle. Seetõttu on võimalik jaotada õhulõhesid vastavalt lõhe ümber paiknevatele sulgrakkudele.

• Gramineae-tüüpi õhulõhed on kõige erinevama kujuga. Neil on sulgrakud hantlikujulised ja need liiguvad epidermi välimise pinnaga paralleelselt. Rakkudel paisuvad vaid otsad, keskmised osad ei muutu.
• Amaryllis-tüübi puhul on sulgrakud oakujulised ja paisuvad pealmise rakukihiga paralleelselt.
• Helleborus-tüüpi iseloomustavad samuti oakujulised sulgrakud, aga need ei paisu paralleelselt, vaid samaaegselt igas suunas.
• Mnium-tüübil laienevad sulgrakud epidermi välispinnaga risti.

Signaalid ja nende ülekanded

Sulgrakud võtavad vastu ning töötlevad keskkonnast tulevaid biootilisi ja abiootilisi signaale ning endogeenseid signaale. Väliskeskkonnast saadud signaalideks on näiteks valgus, õhuniiskus, süsihappegaasi ja osooni kontsentratsioon, temperatuur, kuivus ning feromoonid. Taim ise sünteesib fütohormoone. Signaalidest tulenev info kutsub esile vastuse sulgrakkudes, mille tagajärjel õhulõhed avanevad või sulguvad. Just nende signaalide levik määrab, kui kiiresti kaotab taim kuivaperioodil vett. Abtsiishape põhjustab Ca²⁺ ioonide tõusu sulgrakkudes ning muudab vastava molekuli retseptoreid tundlikumaks. See aktiveerib S- ja R-tüüpi anioonikanalid (esimene on teisest aeglasema, aga ühtlasema anioonivooluga) ning K⁺-kanali, mis transpordivad vastvad ioonid sulgrakust välja. See omakorda põhjustab vee liikumise sulgrakkudest välja, mille tagajärjel turgorrõhk nendes väheneb ja õhulõhed sulguvad.

Areng

Sulgrakkude ja õhulõhede arengut mõjutavad nii geenid kui ka keskkonnasignaalid. Sulgrakkude paiknemise tihedust mõjutavad keskkonnasignaalid, muuhulgas ka süsihappegaasi kontsentratsioon õhus. Kõrgema CO₂ taseme korral kujuneb lehtedel vähem õhulõhesid

Tütarrakk

Tütarrakk on rakujagunemisel moodustunud üks uutest rakkudest.

Tüvirakud

Tüvirakk (ld cellula praecursoria, mitm cellulae praecursoriae) on hulkraksete organismide erinevates kudedes leiduvate diferentseerumata paljunemisvõimeliste algrakkude tüüp. Tüvirakud võivad muunduda ehk diferentseeruda spetsiaalse funktsiooniga rakkudeks või jaguneda mitoosi teel samasugusteks tüvirakkudeks.

Imetajatel on kirjeldatud kahte tüüpi tüvirakke: embrüonaalseid ja täiskasvanud tüvirakke. Täiskasvanud organismis uuendavad tüvirakud kudesid ehk on osa keha parandamise süsteemist. Teadlased on õppinud tüvirakke kunstlikult kasvatama ja kindla funktsiooniga rakkudeks diferentseerima.

Täiskasvanud inimese kehas on autoloogsete tüvirakkude eraldamiseks neli kohta:

• luuüdi – tüvirakkude kättesaamiseks tuleb puurida luuüdisse;
• rasvarakud – tüvirakud eraldatakse rasvaimu abil;
• veri – täisveri tuleb eraldada komponentideks ja sealt filtreerida välja hematopoeetilised tüvirakud;
• vahetult pärast sündi saab neid eraldada ka nabaväädi verest.

Arvatakse, et tüvirakkudel on palju sarnasusi vähirakkudega.

Taimedel on sarnase funktsiooniga rakkudeks algkoe ehk meristeemi rakud.

Omadused

Tüvirakkude tüübid

Embrüonaalsed tüvirakud

Embrüonaalsed tüvirakud visualiseerituna blastotsüsti rakusisese massi rakkude hulgas. Nendest rakkudest võib saada ükskõik milline rakutüüp, välja arvatud platsentat moodustav rakk. Moorula rakud on totipotentsed ja nad võivad saada ka platsenta rakkudeks. Diagramm illustreerib inimembrüo embrüonaalset tüvirakku ja selle rolli organismis

Embrüonaalsed tüvirakud pärinevad blastotsüsti ehk lootepõiekese sisemisest rakumassist. Need on pluripotentsed ja annavad alguse kolmele põhilisele lootelehele: ektodermile, endodermile ja mesodermile. Nad võivad diferentseeruda enam kui kahesajaks täiskasvand organismis esinevaks rakutüübiks. Pea kõik tüvirakkudega seotud uuringud on läbi viidud kas hiire (mES) või inimese embrüonaalsete tüvirakkudega (hES). Need vajavad diferentseerumata oleku säilitamiseks väga erinevaid tingimusi. Inimese embrüonaalseid tüvirakke saab tavalistest rakkudest eristada mitmete spetsiifiliste transkriptsioonifaktorite ekspressiooni ja raku pinnaretseptorite järgi.

Embrüonaalsed tüvirakud vajavad diferentseerumiseks spetsiifilisi signaale. Kui selliseid rakke süstida teise organismi, siis hakkavad rakud diferentseeruma paljudeks eri rakkudeks, põhjustades nii teatud tüüpi kasvaja, mida nimetatakse teratoomiks.

Embrüonaalsetele tüvirakkudele omistatakse biomeditsiinis tänapäeval erilist tähtsust. Need on oma pluripotentsuse tõttu potentsiaalseks ravimeetodiks regeneratiivmeditsiinis ja haiguse või vigastuse tagajärjel kahjustatud kudede taastamisel.

Inimese lootelt saadud embrüonaalsete tüvirakkude uurimisobjektina kasutamisele on esitatud eetilisi vastuväiteid põhjendusega, et selliste tüvirakkude saamiseks lõhutavat blastotsüsti (s.o embrüo, milles ei ole veel üle 150 raku) võib pidada inimeseks.

Täiskasvanud tüvirakud

Täiskasvanud tüvirakud ehk somaatilised tüvirakud ehk keha tüvirakud on diferentseerumata rakud, mis esinevad teatud koe diferentseerunud rakkude hulgas ning on enamasti multipotentsed. Hoolimata nimest leidub neid ka lastel ja sündimisel saab neid eraldada ka nabaväädist. Pluripotentsed täiskasvanud tüvirakud on haruldased, kuid neid leidub mitmes koes. Luuüdis leidub rohkelt täiskasvanud tüvirakke. Luuüdis leiduvate tüvirakkude arv kahaneb organismi vananedes. Täiskasvanud tüvirakke on kasutatud mitmete seljaajuvigastuste, maksatsirroosi ja kroonilise jäsemete isheemia ravimiseks. Lisaks on neid kasutatud leukeemia ja muude sarnaste luu- ja verevähkide ravimiseks. Samuti kasutatakse täiskasvanud tüvirakke veterinaarias kõõluste ja sidemete vigastuste ravimiseks hobustel. Täiskasvanud tüvirakkude kasutamine pole nii vastuoluline kui embrüonaalsete tüvirakkude kasutamine, sest täiskasvanud tüvirakkude saamiseks pole vaja embrüot lõhkuda.

Amniootilised tüvirakud

Multipotentseid tüvirakke leidub ka loote amnioni vedelikus. Need tüvirakud on väga aktiivsed, jagunevad kiiresti ja pole tumorogeensed. Rooma-Katoliku Kiriku õpetus keelab embrüonaalsete tüvirakkude kasutamise, kuid Vatikani ajaleht Osservatore Romano nimetas amniootilisi tüvirakke "meditsiini tulevikuks". 2009. aastal avati esimene amniootiliste tüvirakkude pank, mis teeb koostööd mitmete haiglate ja ülikoolidega üle maailma.

Nabaväädi vere tüvirakud

Teatud tüüpi tüvirakud (CB-SC), mis on saadud nabaväädi verest, on multipotentsed: neil on nii embrüonaalsed kui hematopoeetilised omadused. Fenotüübiline klassifikatsioon näitab, et nendel rakkudel on embrüonaalse raku markerid (transkripitsioonifaktorid OCT-4 ja Nanog) ja raku elufaasile iseloomulikud embrüonaalsed antigeenid. Nabaväädi vere tüvirakkudel on potentsiaal ravida autoimmuunhaigusi.

Esilekutsutud pluripotentsus

Indutseeritud pluripotentsed tüvirakud saadakse täiskasvanud organismi diferentseerunud rakkude ümberprogrammeerimisel nii, et nad omandavad pluripotentsuse. Nii saab näiteks hiire naharakkudes indutseerida tüviraku omadusi ja see rakk võib omakorda diferentseeruda spetsialiseerunud rakuks, näiteks munarakuks.

Meditsiin

Tüvirakkude potentsiaalsed kasutusalad meditsiinis. Hetkel on ainus kasutusel olev ravimeetod luuüdi transplantatsioon

Teadlaste arvates on tüvirakkudel potentsiaal drastiliselt muuta tänapäeva meditsiini. Juba praegu suudetakse nende abil ravida leukeemiat ja mitmeid vere- ja luuvähi tüüpe. Loodetakse, et tulevikus saab tüvirakkudega hakata ravima mitmeid haigusi, nagu vähki, Parkinsoni tõve, seljaajuvigastusi, polüskleroosi ja lihaste vigastusi. Tüvirakkude kasutamisel on siiski risk, et need võivad moodustada kasvajaid. Kontrollimatu rakujagunemise korral võivad need kasvajad muutuda ka pahaloomuliseks. Isegi kui tüvirakud on võetud patsiendilt endalt, võib tekkida kasvaja, sest mitokondriaalses DNAs toimuvad mutatsioonid palju tihedamini kui inimese genoomis.

Tähtsamad avastused tüvirakkude vallas

• 1963 – hiire luuüdis näidati ennast taastootvate rakkude olemasolu.
• 1968 – rasket kombineeritud immuunpuudulikkust raviti esmakordselt, kasutades luuüdi transplantatsiooni.
• 1978 – inimese nabaväädi verest avastati hematopoeetilised tüvirakud.
• 1981 – teadlased eraldasid hiire embrüo sisemisest rakumassist embrüonaalsed tüvirakud.
• 1997 – leiti esimesed otsesed tõendid vähki tekitavate tüvirakkude kohta. Näidati, et leukeemia saab alguse ühest hematopoeetilisest tüvirakust.
• 1998 – esimene inimese embrüonaalse tüvirakuliini kasvatamine.
• 2003 – avastati uut tüüpi täiskasvanud tüvirakud laste piimahammastest.
• 2006 – teadlased Newcastle Ülikoolis Inglismaal kasutasid nabaväädi vere tüvirakke ja suutsid esmakordselt neist luua tehislikke maksarakke.
• 2007 – Wake Foresti Ülikooli teadlased avastasid amnioni vedelikust uut tüüpi tüvirakud.
• 2007 – Mario Capecchi, Martin Evans ja Oliver Smithies said Nobeli auhinna embrüonaalsete tüvirakkude vallas tehtud töö eest ja esimese geneetiliselt muundatud hiire (tuntud kui geennokauditud hiir) väljatöötamise eest.
• 2008 – embrüonaalse tüviraku sarnaste rakkude avastamine inimese juuksekarvas.
• 2009 – Andras Nagy ja Keisuke Kaji avastasid meetodi, kuidas kasutada tavalisi keharakke ja toota neist embrüonaalse tüviraku sarnaseid rakke. Nad kasutasid "pakkimismeetodit", et viia rakku spetsiifilisi geene. Varem on selleks kasutatud viirust, mis võib aga põhjustada soovimatuid mutatsioone.
• 2010 – tehti esimesed katsed inimese embrüonaalsete tüvirakkudega.
• 2011 – Iisraeli teadlase Inbar Friedrich Ben-Nuni juhitud meeskond suutis ohustatud liikide keharakkudest toota tüvirakke. Selle abil saab päästa väljasuremisohus olevaid liike.
• 2012 – Katsuhiko Hayashi kasutas hiire naharakke, et teha neist tüvirakud, ja tegi neist omakorda munarakke. Need munarakud viljastati ja arenes terve isend. Samuti andis see hiir terveid järglasi.
• 2013 – esmakordselt kasvatati, küpsetati ja maitsti laboris liha, mis on tehtud lihase tüvirakkudest.

Lüsosüüm

Lüsosoom on üks rakuplasmas asetsevatest rakuorganellidest, ühekordse rakumembraaniga ümbritsetud põieke, mille sees paiknevad ensüümid lahustavad rakusiseseid valke, makromolekule ja rakustruktuure.

Raku anatoomia
1. Tuumake
2. Tuum
3. Ribosoom
4. Põieke
5. Karedapinnaline tsütoplasmavõrgustik
6. Golgi kompleks
7. Tsütoskelett
8. Siledapinnaline tsütoplasmavõrgustik
9. Mitokonder
10. Vakuool
11. Tsütoplasma
12. Lüsosoom
13. Tsentriool

Lüsosoome on leitud loomarakkudest, nende esinemine pärmseentes ja taimedes on vaidluse all.

Lüsosoomid avastas Belgia tsütoloog Christian de Duve 1949. aastal.

Lüsosoomi suurus võib olla 0,1–1,2 μm.

Geneetiline kood

Geneetiline kood on kindel vastavus nukleiinhapete (RNA) koodonite ja valke moodustavate aminohapete vahel. Selle koodi kindlustab elus rakkude keemiliste juhiste süsteem, mis loob geneetilist infot kandva mRNA vahendusel proteiine. Valgusüntees geneetilise info alusel ehk translatsioon toimub ribosoomides. Geneetiline kood võimaldab DNA molekulidelt ümber kirjutatud geneetilise info tõlkida RNA molekulidele, mille järgi sünteesitakse valkude molekulid.

"Koodipäike"

Geneetiline kood on väga sarnane terves eluslooduses. See annab aluse oletada kogu praeguse elu monofüleetilist päritolu ja ühekordset tekkimist, kuigi rangelt võttes näitab geneetilise koodi universaalsus ainult universaalse geneetilise koodi enda monofüleetilist päritolu. Samas leidub geneetilisel koodil üle kümne variandi, mis on tõenäoliselt siiski hiljem evolutsiooni käigus tekkinud.

Geeniekspressioon

Organismi geneetiline info on talletatud kromosoomidesse, mis koosneb DNA molekulidest, mis omakorda jagunevad geenideks. Igas organismi rakus, selle tuumas sisaldub kogu organismi genoom. Geen on geneetilise info baasühik, mis kodeerib mingi kindla proteiini sünteesi. Kui geeni ekspresseeritakse, siis kopeeritakse geenist üheahelaline mRNA matriits, mis seejärel suundub rakutuumast ribosoomi, kus toimub geneetilise koodi alusel mRNAst tRNA ja mitmete ensüümide abil aminohappeahelate sünteesimine, mis hiljem pakitakse valguks.

Nagu iga teine nukleiinhapegi koosneb mRNA nukleotiididest, mida tihti kutsutakse ka alusteks. RNAs sisalduvad nukleotiidid on: adeniin (A), guaniin (G), tsütosiin (C) ja uratsiil (U). DNA ahelas vastab uratsiilile tümiin (T). Nukleotiidide kolmikuid e. triplette mRNAs nimetatakse koodoniteks, mis moodustavad geneetilise koodi põhialuse. Igale koodonile mRNAs vastab mingi konkreetne aminohape proteiiniahelas või juhis valgusünteesi alustamiseks või lõpetamiseks.

Ühtekokku on olemas 4³ = 64 erinevat koodonit. Kuna kodeeritavaid aminohappeid on ainult 20, siis on paljud koodonid "sünonüümsed", st ühele aminohappele võib vastata mitu erinevat koodonit. Milliseid koodoneid genoomis eelistatakse, sõltub aga konkreetsest organismist endast. Otsene seos on aga aminohappele vastavate koodonite hulga ja selle aminohappe esinemissageduse vahel valkudes.

Start- ja stoppkoodonid

Mõnele koodonile (UGA, UAA ja UAG) ei vasta ühtegi aminohapet, mistõttu neid mõnikord nimetatakse ka nonsensskoodoniteks. See nimetus ei ole aga päris õige, kuna nimetatud koodonid toimivad märgina valgusünteesi lõpetamiseks, umbes nagu punkt lause lõpus. Stoppkoodoneid e terminaatorkoodoneid tunnevad ära teatud ensüümid, nn. terminatsioonifaktorid, mis osalevad valgusünteesi lõpetamisel. Tegelikud nonsensskoodonid oleksid sellised, millele ei vasta ükski aminohape ega ka mingi muu tähendus. Koodon AUG on universaalses geneetilises koodis mitmetähenduslik – ta on nii metioniini sünteesi koodon kui ka start- ehk initsiaatorkoodon. Initsiaatorkoodon asub mRNA ahela eesotsas ja annab ühtlasi märku ribosoomis valgusünteesi alustamiseks, seega enamiku valguahelate esimeseks aminohappeks on metioniin. Kui koodon AUG asub mRNA ahelas ka pärast initsiaatorkoodonit, sünteesitakse sellelt aminohappeahelasse lihtsalt metioniin. Leidub ka alternatiivseid initsiaatorkoodoneid (näiteks UUG ja CUG), kuid neid kasutatakse valgusünteesi alustamiseks oluliselt harvemini.

Kooditabel

Järgmises tabelis on toodud mRNA koodonitele vastavate aminohapete nimetused ning nende rahvusvahelised kolme- ja ühetähelised lühendid. Tabelit loetakse vasakult paremale – vasakus püstlahtris on koodoni esimene nukleotiid, horisontaalses lahtris ülaservas keskmine ja paremas püstlahtris koodoni kolmas nukleotiid.

Siin tabelis on esitatud kõik 64 koodonit ja kodeeritavad aminohapped, mis vastavad igale koodonile.

		2. alus
		U	C	A	G
1. alus	U	UUU (Phe/F)fenüülalaniin UUC (Phe/F)fenüülalaniin UUA (Leu/L)leutsiin UUG (Leu/L)leutsiin, (start)	UCU (Ser/S)seriin UCC (Ser/S)seriin UCA (Ser/S)seriin UCG (Ser/S)seriin	UAU (Tyr/Y)türosiin UAC (Tyr/Y)türosiin UAA ooker (stopp) UAG merevaik (stopp)	UGU (Cys/C)tsüsteiin UGC (Cys/C)tsüsteiin UGA opaal (stopp) UGG (Trp/W)trüptofaan	U C A G
	C	CUU (Leu/L)leutsiin CUC (Leu/L)leutsiin CUA (Leu/L)leutsiin CUG (Leu/L)leutsiin, (start)	CCU (Pro/P)proliin CCC (Pro/P)proliin CCA (Pro/P)proliin CCG (Pro/P)proliin	CAU (His/H)histidiin CAC (His/H)histidiin CAA (Gln/Q)glutamiin CAG (Gln/Q)glutamiin	CGU (Arg/R)arginiin CGC (Arg/R)arginiin CGA (Arg/R)arginiin CGG (Arg/R)arginiin	U C A G
	A	AUU (Ile/I)isoleutsiin, (start)2 AUC (Ile/I)isoleutsiin AUA (Ile/I)isoleutsiin AUG (Met/M)metioniin, start1	ACU (Thr/T)treoniin ACC (Thr/T)treoniin ACA (Thr/T)treoniin ACG (Thr/T)treoniin	AAU (Asn/N)asparagiin AAC (Asn/N)asparagiin AAA (Lys/K)lüsiin AAG (Lys/K)lüsiin	AGU (Ser/S)seriin AGC (Ser/S)seriin AGA (Arg/R)arginiin AGG (Arg/R)arginiin	U C A G
	G	GUU (Val/V)valiin GUC (Val/V)valiin GUA (Val/V)valiin GUG (Val/V)valiin, (start)2	GCU (Ala/A)alaniin GCC (Ala/A)alaniin GCA (Ala/A)alaniin GCG (Ala/A)alaniin	GAU (Asp/D)aspargiinhape GAC (Asp/D)aspargiinhape GAA (Glu/E)glutamiinhape GAG (Glu/E)glutamiinhape	GGU (Gly/G)glütsiin GGC (Gly/G)glütsiin GGA (Gly/G)glütsiin GGG (Gly/G)glütsiin	U C A G

¹ AUG on üldine start- ehk initsiaatorkoodon, teised initsiaatorkoodonid on kasutusel oluliselt harvemini.
² AUU ja GUG on initsiaatorkoodonina kasutusel vaid prokarüootides.

Geneetilise koodi olemus

Koodi realiseerumine ja tähendus

Nagu mainitud, on geneetiline kood olemuselt süsteem, mille alusel seatakse vastavusse mRNA koodonid ja valguahelat moodustavad aminohapped. Koodonite paiknemine kooditabelis ei ole aga päris juhuslik – keemiliselt sarnased aminohapped paiknevad tabelis lähestikku. See tähendab, et juhuslikud vead koodi lugemisel (valgusünteesil) ei muuda sünteesitava valgu omadusi tõenäoliselt eriti suures ulatuses, kuna aminohape asendub sarnaste keemiliste omadustega aminohappega. See vähendab tunduvalt geneetilise koodi müratundlikkust.

Erinevatel koodoni positsioonidel on aminohappe määramisel erinev osakaal. Kõige olulisem on koodoni teine täht ehk keskmine positsioon. Tähtsuselt järgmine on koodoni esimene täht. Kõige väiksema tähtsusega on koodoni kolmas täht. Universaalses geneetilises koodis ei ole 8 aminohappe määramisel kolmas täht üldse oluline, ka ülejäänud aminohapete puhul on koodoni kolmas täht väikese tähtsusega. 20 kodeeritavast aminohappest on kolmas täht ühetähenduslik vaid kahe aminohappe – metioniini ja trüptofaani puhul. Koodoni kolmanda tähe mitmetähenduslikkust nimetatakse ka koodi kõdumiseks.

Geneetiline kood sõltub organismi tRNA molekulide ehitusest ning tRNAd ja aminohapet kokkusiduvatest ensüümidest. tRNA ahela keskel on nukleotiidide kolmik, mis paardub komplementaarsusprintsiibi alusel mRNA koodoniga, seetõttu nimetatakse vastavat tRNA nukleotiidide kolmikut antikoodoniks. Vastavalt geneetilisele koodile seotakse tRNA ühte otsa (nn aktseptor-õlga) tRNA antikoodonile (seega ka mRNA koodonile) vastav aminohape. Ribosoomis seondub aminohapet kandev tRNA molekul vastava mRNA koodoniga ning jätab endaga seotud aminohappe sünteesitavasse peptiidahelasse ja realiseerib seeläbi geneetilise koodi.

Kui toimuks muutus tRNAd sünteesivates geenides, siis muutuks seeläbi ka geneetiline kood ja ka kõik organismis sünteesitavad valgud.

Keerukam küsimus on aga see, miks geneetiline kood on täpselt selline nagu ta on (näiteks, kas koodonile CCU võiks proliini asemel vastata nt arginiin). Ühtset vastust sellele küsimusele hetkel veel pole. Seda on püütud seletada tRNA ja aminohappe seondumise iseärasustega – mingit konkreetset antikoodonit (või ka muud nukleotiidijärjestust mõnes teises kohas tRNA ahelas) sisaldavale tRNAle seondub mõni aminohape tänu molekulidevahelisele tõmbejõule suurema tõenäosusega kui mõnda teist antikoodonit sisaldavale tRNA molekulile, teisisõnu mõni antikoodon on kindla aminohappe suhtes suurema afiinsusega kui mõni teine antikoodon või on nendevaheline side stabiilsem ja seetõttu püsib piisavalt kaua, et jõuda ribosoomi. Sellest võiks järeldada seda, et ensüüm aminoatsüül-tRNA ligaas, mis tunneb ära tRNA ja seob selle külge vastava aminohappe liidabki kokku sellise aminohappe ja tRNA, mis omavahel keemiliselt kõige paremini seonduvad. Ometi puuduvad nende hüpoteeside kohta põhjapanevad teaduslikud tõendid ja vähemalt esialgu on küsimus geneetilise koodi tähendusest ja tekkimisest lahtine.

Geneetilise koodi päritolu ja tekkimine

Fakt, et geneetiline kood on vigade summutamisel optimaalne (sarnased aminohapped paiknevad tabelis lähestikku) on võetud aluseks arvamusele, et geneetiline kood on aeglaselt evolutsioneerunud. Teisisõnu tekkisid alguses juhuslikud seosed ja aja jooksul on kood optimeerunud. Teiseks seisukohaks oleks see, et geneetiline kood on "külmunud õnnetus", ehk see on kunagi juhuslikult tekkinud ja kui see kord tekkis, ei saanud see enam muutuda, kuna iga muutus koodis tooks kaasa muutuse kõigis valkudes, mis oleks aga organismile väljakannatamatu.

Geneetilise koodi päritolu on lahtine aga tõenäolisem on siiski universaalse geneetilise koodi väga pikaajaline evolutsioon, sest mõnedes organismides esineb universaalsest koodist väikeseid kõrvalekaldeid. Selge on igatahes see, et geneetiline kood on tekkinud elu väga varajases arengujärgus ühel ajal RNA-põhise valgusünteesi tekkimisega.

Alternatiivsed koodid

Universaalsest geneetilisest koodist leidub siiski ka mitmeid kõrvalekaldeid. Eriti sagedased on alternatiivsed koodid väikese genoomiga organismides või ka eraldiseisvat genoomi omavates organellides. Kõige väiksemad genoomid on eukarüootide mitokondritel ja seetõttu on nendes erinevused universaalsest koodist levinud. Genoomi suuruse ja koodi stabiilsuse vaheline seos tuleneb koodi "külmunud" olemusest – kui koodis ühe koodoni tähendus muutub (tRNA hakkab ära tundma uut koodonit), siis toob see kaasa muutuse kõikides valkudes, kus vastav aminohape esineb. Üheaegne muutus paljudes valkudes on aga organismile üldjuhul surmav. Väikeste genoomide puhul võib üks kindel koodon esineda vaid mõnes üksikus geenis ja üksikud aminohapete asendused ei pruugi omada väga suurt mõju organismi eluvõimele. Sellisel juhul võivad muutused koodis organismi järglastele edasi kanduda, mille tulemusena tekib mõnel liigil alternatiivne geneetiline kood. Siiski on ka väikeste genoomide puhul koodi muutumise kiirus väga aeglane, enamiku koodonite osas on kõik erinevad koodid samad.

Esineda võib ka mõne koodoni mitmetähenduslikkust. Näiteks transleeritakse mõnedel Candida perekonna pärmseentel universaalse koodi leutsiini koodonit CUG seriinina. Erakordne on aga see, et sama tRNA lülitab peptiidiahelasse mõnikord ka leutsiini, viimast küll väikese sagedusega. Seega ongi sellel seeneperekonnal leutsiini koodon CUG mitmetähenduslik.

On võimalik ka teatud alternatiivsete (standardsete kodeeritavate amnohapete seas mitteolevate) aminohapete esinemine. Näiteks on täheldatud, et bakteril Methanosarcina barkeri kodeerib stoppkoodon UAG valgusünteesi lõpetamise asemel hoopis aminohapet pürrolüsiin. Samuti on paljudel organismidel mitmetes valkudes leitud aminohappe selenotsüsteiini esinemist, mis on kodeeritud stoppkoodoni UGA poolt (seda mitte küll otseselt vaid kindla translatsiooni kontrolliva faktori olemasolul). Need avastused on andnud alust algatada teadlaste hulgas diskussioon uute aminohapete lisamiseks kodeeritavate aminohapete nimistusse.

Praeguseks on tuntud üle 20 erineva geneetilise koodi.