Üldgeneetika 1-2

Blogi, mis räägib kõigest, mis on Leonhardile oluline ja/või huvitav. Kommenteerige, tellige, lugege, nautige ja õppige.

GENEETIKA ÜLDKURSUS

Maia Kivisaar

 

 

1. Sissejuhatus Klassikaline ja molekulaargeneetika, geneetika rakendus kaasajal

1.1.Klassikalise ja molekulaargeneetika kujunemine Geneetika on suhteliselt noor teadus. Kuigi pärilikkuse põhilised seaduspärasused esitas Gregor Mendel aastal 1865, tuleb geneetika sünniks lugeda siiski 20-nda sajandi algust. Alles siis taasavastati Mendeli ideed, mis said aluseks klassikalisele geneetikale. Tõendid selle kohta, et DNA kannab geneetilist informatsiooni, saadi 20-nda sajandi keskel. 1944. aastal kirjeldasid Avery ja ta kolleegid katseid, kus nad uurisid bakterite (Streptococcus pneumoniae) transformatsiooni puhastatud DNA-ga. Hersey ja Chase poolt aastal 1952 avaldatud tulemused kinnitasid seda, et DNA on pärilikkuse kandja. Nad näitasid, et bakteriviiruse T2 geneetiline informatsioon säilub DNA-s. 1953-ndal aastal avaldasid James Watson ja Francis Crick DNA kaksikhelikaalse struktuuri. Need avastused ja geneetilise koodi deshifreerimine said aluseks molekulaargeneetika sünnile. Uute molekulaarsete meetodite väljatöötamine 70-ndatel ja 80-ndatel aastatel on võimaldanud kasutusele võtta rekombinantse DNA tehnoloogia, täiustusid meetodid, mis võimaldavad määrata nukleiinhapete primaarstruktuuri. 1985-nal aastal Kary Mullise poolt väljatöötatud PCR (polümerase chain reaction) meetod võimaldab lühikese ajaga amplifitseerida spetsiifilisi DNA segmente väga väikesest algmaterjali kogusest. Uute meetodite arsenal kasvab pidevalt, võimaldades üha täpsemalt selgitada geeneetiliste protsesside toimumist molekulaarsel tasemel. Ka geeni definitsioon on alates Mendeli poolt kasutatud ?pärilikkuse ühikust? (siis veel terminit ?geen? ei tuntudki) pidevalt täiustunud.     1.2. Geneetika rakendus kaasajal Geneetikaalased uuringud on väga suures ulatuses suunatud meditsiinile. Need uuringud on võimaldanud täpsemalt mõista päritavate haiguste biokeemilist olemust ning isoleerida geneetilisi haigusi põhjustavaid geene. Nii on näiteks isoleeritud mutantsed geenid, mis põhjustavad tsüstilist fibroosi, Dushenne?i lihasdüstroofiat, Huntingtoni tõbe, fragiilse X sündroomi, Alzheimeri tõbe, rinnavähki.  Ka meie käitumine ning isiksuse omadused on väga suures ulatuses geneetiliselt määratud. Väga palju on seda uuritud ühemunakaksikute puhul. Näiteks alkoholism, skisofreenia ning maniakaalne depressiivsus on geneetilise eelsoodumusega. See tähendab, et vastavaid mutantseid geene kandvatel isikutel on võrreldes teistega risk haigestuda suurem.  Molekulaargeneetika meetodeid on hakatud kasutama kohtumeditsiinis isikute tuvastamiseks. Piisab väikesest veretilgast või juuksekarvast, et sealt PCR meetodil amplifitseerida huvipakkuvaid DNA segmente edaspidiseks DNA järjestuse analüüsiks.  Elavat diskussiooni on tekitanud geneetiliselt manipuleeritud köögiviljade kasvatamine. Näiteks sel teel saadud tomatid sisaldavad geeni, mis võimaldab tomatil kauem säiluda. Osa inimesi, esskätt ?roheliste? liikumises osalejad näevad geneetilises manipuleerimises ohtu ning püüavad seda igati takistada. Nende liikumine on suunatud ka katseloomade kaitsele, mis mõnikord võtab äärmusliku vormi. Näiteks on vabastatud ja linna lahti lastud laborites peetud rotte ja teisi katseloomi.   1.2.1. Geneetika ja meditsiin Haiguste geneetilisele determineeritusele vihjas juba 20-nda sajandi algul Garrod, kes juhtis tähelepanu sellele, et alkaptonuuria on levinud perekonniti. Seda haigust põhjustab homogentisiinhappe akumuleerumine organismi. Akumuleerumise käigus oksüdeerub see ühend tumedaks produktiks ning koguneb silmadesse, nina piirkonda ja mujale kudedesse. Ka haigete uriin muutub õhu käes tumedaks. Garrod märkas, et see haigus pärandub Mendeli seaduspärasuste järgi.  Haigusi põhjustavate geenide isoleerimine on töömahukas protsess. Näiteks Huntingtoni tõbe (surmaga lõppev neuroloogiline haigus) põhjustav geen isoleeriti 1993-ndal aastal, kuid sellele eelnes 10-aastane intensiivne uurimisperiood. Nii fragiilset X (tugev vaimne alaareng) kui ka Huntingtoni tõbe põhjustavate mutatsioonide uurimisel selgus, et muutus seisneb kolmenukleotiidilise DNA järjestuse amplifikatsioonis, mis mõjutab geeni avaldumist. Geeniteraapia muutub võimalikuks alles siis, kui konkreetsed haigusttekitavad geenid on isoleeeritud ning osatakse defineerida nende geenide poolt kodeeritud valkude biokeemilisi funktsioone organismis. Tsüstilise fibroosi (soolade transport rakkudest sisse ja välja on häiritud, kopsud, pankreas ja maks eritavad lima, mis soodustab nende organite infektsiooni ning haiged surevad sageli näiteks kopsupõletikku) põhjustab mutatsioon transmembraanset valku CFTR kodeerivas geenis, mis moodustab epiteelkudede rakkudes ioonkanaleid. Tsüstilise fibroosi puhul on püütud rakendada ka geeniteraapiat, nakatades inimese hingamisteede epiteelrakke modifitseeritud adenoviirusega, mille genoomi on viidud normaalne CFTR geen. Sel viisil on mõnikord saavutatud osalist paranemist, kuid see metoodika ei võimalda töödelda kahjustatud piirkondi teistes organites.  Inimese geenide uurimiseks on käivitatud rahvusvaheline Inimese Genoomi Projekt HUGO (Human genome Project), mille eesmärgiks on kaardistada ja sekveneerida kõik inimese geenid ning kirjeldada nende funktsioonid. See ambitsioonikas projekt on praeguseks kestnud kümmekond aastat. Molekulaarse diagnostika meetoditega on võimalik haigust tekitavaid mutantseid geene inimorganismist tuvastada. See aitab otsustada, millist ravi ja hooldust patsient vajab. Eriti oluline on sünnieelne diagnostika, mida rakendatakse eeskätt siis, kui vanemate suguvõsas on kirjeldatud geneetilisi haigusi. Väärarengute ning enamasti surmaga lõppevate haiguste puhul saavad siis vanemad otsustada, kas lasta sellisel lapsel sündida. Ka vähk on sisuliselt geneetiline haigus. Rakkude jagunemist ja diferentseerimist kontrollivad paljud erinevad geenid. Kui mõni nendest geenidest on muteerunud või nende regulatsioon on muutunud, võivad rakud asuda kontrollimatult jagunema ning põhjustada kasvajate arengut. Neid raku jagunemist kontrollivaid geene võivad kahjustada mutatsioonid, mis akumuleeruvad somaatilistesse rakkudesse inimese eluajal ning selle tagajärjel muutuvad normaalsed rakud vähirakkudeks. Mõnede vähktõbede puhul on ka päritav eelsoodumus. Sel juhul päranduvad mutantsed geenid sugurakkude kaudu järglastele. Näiteks rinnavähi puhul on leitud kaks geeni, BRCA1 ja BRCA2, mis levivad perekonniti. Risk haigestuda on sel juhul 10 korda suurem.     1.2.2. Geneetika osa kaasaegses põllumajanduses Kuigi aretustöö teadlik läbiviimine, toetudes geneetika põhitõdedele, algas 20-ndal sajandil, on aretustööga tegeldud juba läbi aegade. Esimesed nisusordid, mis erinesid looduslikest, on 7000 kuni 10000 aastat vanad. Sordiaretuse teel on saadud näiteks hübriidne mais, mille saagikus on võrreldes algsega tõusnud ligi 250%. Nisu puhul on aretatud stressikindlamaid sorte, mis on sobivad kasvatamiseks just paljudes kohtades arengumaades. Palju aretustööd on tehtud tomatitega, mille tulemusena varieeruvad viljad nii suuruselt, värvuselt kui ka kujult. Taimi on püütud muuta ka resistentsemaks kahjuritele. Bakteri Bacillus thuringiensis genoomis on geen, mis kodeerib putukatele toksilist valku. Vastav geen on viidud tomatitaimede genoomi ning selle avaldumist taimes on näidatud võrdluskatsetega, kus geneetiliselt muudetud taimed on võrreldes algsetega kahjurite suhtes vastupanuvõimelisemad. Geenitehnoloogiat on rakendatud ka maisi sordiaretuses. Koduloomade tõuaretuse teel on püütud saada näiteks suurema piima- või lihatoodanguga loomi. Tänu kunstlikule seemendamisele saab ühe häid järglasi andva isase spermat koguda ja külmutada, et seda jätkuks tuhandeteks viljastamiseks.  Viimasel aastatel on asutud katsetama loomade kloonimisega, kus somaatilise raku geneetiline materjal asendatakse munarakus olevaga. Jagunema sunnitud munarakust arenevad isendid, kes on geneetiliselt identsed doonoriga. 1997-nda aastal tekitas palju sensatsiooni kloonitud lamba Dolly sündimine.    1.2.3. Geneetika valekasutused Darwini loodusliku valiku ideed, mille alusel organismidele kahjulikud tunnused asendatakse evolutsiooni käigus kasulikemaga, leidsid edasiarendust Francis Galtoni poolt. Galton arvas, et ka inimese vaimsed ja füüsilised tunnused on päritavad ning neile rakendub valik. Et inimsugu parandada, soovitas Galton rakendada kunstlikku valikut. Ta võttis kasutusele mõiste eugeenika, mille mõte seisnes selle, et heade tunnustega vanematel tuleb soodustada järglaste saamist, kehvade tunnustega vanematel aga takistada. Eelistud tunnused olid näiteks kõrge intelligentsus, loomingulisus, tugev tervis, kõrvaldatavad aga madal intelligentsus, vaimsed haigused, kriminaalne käitumine ja alkoholism. Eugeenikat on 20-nda sajandi esimesel poolel rakendatud paljudes maades. USA-s steriliseeriti näiteks indiviidid, keda peeti idiootideks või kriminaalideks. Pooltes osariikides oli seadusega ette nähtud steriliseerida ka alkohoolikud, epileptikud ning väära seksuaalse orientatsiooniga indiviidid. Steriliseerimist rakendati suhteliselt kaua Põhjamaades. Eugeenikat rakendati 20-nda sajandi esimesel poolel ka migratsioonipoliitikas. Näiteks USA-s eelistati 20-ndatel aastatel sisserändajaid Põhja-Euroopast, seati aga piiranguid neile, kes tulid Vahemere äärest, Hiinast ja Kesk-Euroopast. Üks kõige julmemaid eugeenika rakendusi oli juutide, mustlaste ja teiste rahvaste massiline hävitamine natsistliku Saksamaa poolt. Kartuses sattuda eugeenikutega ühe mütsi alla hoidusid paljud geneetikud inimese geneetikaga tegelemisest. Ajad on muutunud. Praeguses Lääne ühiskonnas kutsuks eugeenikaalaste ideede propageerimine esile tugeva vastureaktsiooni. Neis riikides on elukvaliteet oluliselt paranenud. Varem tegid juba raskemad elutingimused oma korrektiivi, viletsamad lihtsalt surid. Tänu meditsiini ja hoolekande süsteemide täiustamisele on ühiskonnal võimalik ka geneetiliste haigustega indiviide ülal pidada. Samas ongi juba märke sellest, et haigusi põhjustavate geenide osakaal inimpopulatsioonis tõuseb.  Geneetikaalaste põhitõdede eiramine muutus riiklikuks doktriiniks Nõukogude Liidus seoses lõssenkismi tekkega. Lõssenko tegeles taimede sordiaretusega ning tuli välja seisukohaga, mille järgi toimuvad soovitud muutused taimesortides keskkonnatingimuste toimel. Need ideed meeldisid väga Stalinile, kes leidis, et see mõttekäik sobib hästi kokku marksistliku ühiskonnateooriaga, mis väitis, et ühiskondlik kord mõjutab inimese omaduste arengut. Klassikaline geneetika kuulutati ebateaduseks ning Mendeli õpetuse pooldajad sattusid vanglasse, kus nad sageli ka surid. Kuigi Lõssenko tõed olid väärad ja neil ei olnud rakenduslikku väärtust, nõuti positiivseid tulemusi ja nii olid mõnedki sunnitud oma elu päästmise või karjääri nimel andmeid võltsima. Geneetika areng Nõukogude Liidus seiskus pikaks ajaks.      2. Reproduktsioon kui pärilikkuse alus   2.1. Rakk kui elusorganismi ehituskivi Vastavalt rakutüübile jagunevad elusorganismid prokarüootideks ja eukarüootideks. Prokarüoodid e. eeltuumsed on üherakulised organismid (näiteks bakterid), kellel pole rakutuuma. Nende tsütoplasmat ümbritseb rakumembraan ning peptidoglükaanist koosnev rakukest. Puuduvad rakuorganellid. DNA on koondunud ühte regiooni, mida nimetatakse nukleoidiks. Bakteriraku paljunemistsükkel on väga lühike. Soodsas kasvukeskkonnas võib rakk jaguneda iga 20 minuti tagant. Seega võib ühe raku järglaskond 11 tunni jooksul kasvada 5 miljardini, võrdsustudes kogu meie planeeti asustavate inimeste rahvaarvuga. Bakterid on kõige iidsem eluvorm Maal ning nad on kohastunud eluks väga erinevates keskkonnatingimustes.  Eukarüootne rakk on võrreldes prokarüootse rakuga tunduvalt suurem ning komplekssem. Lisaks tuumale, kus paikneb DNA, sisaldab ta erinevaid membraanseid ja mittemembraanseid rakuorganelle. Rakku ümbritseb plasmamembraan. Taimerakul on ka rakukest, mis sisaldab tselluloosi. Membraanseoselised valgud on sageli glükoproteiinid, sest nad on seotud sahhariididega. Membraanseoselisi valke, mis interakteeruvad rakuväliste molekulidega ning annavad signaali edasi raku sisemusse, nimetatakse retseptoriteks. Mutatsioonid geenides, mis kodeerivad retseptoreid, võivad põhjustada näiteks haigestumist vähki. Eukarüootsed organismid on enamasti multitsellulaarsed ning nende rakkude ehitus ja funktsioon on erinevates kudedes erinev. Raku üldstruktuur on kõigil juhtudel siiski sama. Membraaniga ümbritsetud tuumas paikneb raku DNA ning seal toimub ka RNA süntees. Valmissünteesitud RNA molekulid transporditakse tsütoplasmasse läbi tuumapooride. Tsütoplasma sisaldab torujaid membraane, mis moodustavad võrgustiku, mida nimetatakse endoplasmaatiliseks retiikulumiks (ER). Osa ER-st on karedapinnaline, kuna seal paiknevad ribosoomid ning seal toimub valgusüntees. Sünteesitud valgud transporditakse läbi ER membraani ning viiakse raku erinevatesse piirkondadesse, kus neid vajatakse. Ribosoomidest vaba ER-i nimetatakse siledaks ER-ks ning seal toimub näiteks teatavate hormoonide süntees. Golgi kompleksis, mis koosneb samuti membraansetest struktuuridest, säilitatakse ning sageli modifitseeritakse sünteesitud valke. Näiteks insuliin sünteesitakse esmalt proinsuliinina, mis seejärel Golgi kompleksis lõigatakse funktsionaalseks insuliiniks. Päritavad defektid Golgi kompleksis toimuva proinsuliini protsessingu suhtes põhjustavad vastava mutatsiooni kandjatel diabeeti. Golgi kompleksis toimub ka näiteks süsivesikute süntees.  Mõnikord liituvad Golgi kompleksi vesiikulid plasmamembraaniga ja väljutavad enda sisu rakku ümbritsevasse keskkonda. Seda protsessi nimetatakse eksotsütoosiks. Golgi kompleksist eralduvad vesiikulid, mida nimetatakse lüsosoomideks, moodustavad membraaniga ümbritsetud kotikesi, mis sisaldavad ensüüme, mis on võimelised lagundama kõikvõimalikke rakus leiduvaid molekule. Mutatsioonid geenides, mis kodeerivad lüsosoomides asuvaid ensüüme, võivad põhjustada erinevaid kaasasündinud haigusi. Näiteks Tay-Sachs tõve korral on defektne lüsosüümides paiknev ensüüm, mis vastutab gangliosiidi degradatsiooni eest. Seda lipiidset molekuli leidub hulgaliselt närvirakkude membraanis. Kui gangliosiidi degradatsioonirada on blokeeritud, koguneb vaheühend, mis on ajurakkudele toksiline ning hävitab aju funktsioonid. Haiged lapsed surevad väga varakult, tavaliselt enne kolmeaastaseks saamist. Lüsosoomidele funktsionaalselt sarnased on peroksisoomid. Peroksisoomid sisaldavad ensüüme, mis kasutavad orgaaniliste molekulide oksüdeerimiseks molekulaarset hapnikku. Osa neist ensüümidest toodavad keemiliste reaktsioonidega vesinikperoksiidi, mis on väga tugev oksüdeerija, teised jälle lagundavad seda.  Taimerakkudes paiknevad membraaniga ümbritsetud kotikesed, mida nimetatakse vakuoolideks. Nad võivad võtta enda alla kuni 90% kogu rakusisesest ruumalast. Vakuoolid võivad sisaldada erinevaid lahustunud sooli või sahhariide, toksilisi jääkprodukte ja pigmente, mis osalevad taime õite ja lehtede värvuse kujundamisel. Vakuoolid aitavad taimerakkudel tagada kõrget siserõhku.  Mitokondrid ja kloroplastid on arenenud prokarüootsetest rakkudest, mis on kunagi sattunud suurema raku sisse. Neil organellidel on oma geneetiline materjal, mis esineb DNA rõngasmolekulina nagu seda ka bakteritel. Paljud mitokondrite ja kloroplastide valgud on nende endi poolt kodeeritud. Mitokondrid on rakkude ?jõujaamad?, sest neis toimub energia konverteerimine lipiididest ja süsivesikutest adenosiin trifosfaadiks ATP. Energeetiliselt aktiivsemates rakkudes on mitokondreid rohkem. Mitokondritel on kaks membraani. Sismisel membraanil asuvad ensüümid, mis on seotud energia konverteerimisega. Selleks, et suurendada sisemembraani pinda, on ta sisse sopistunud, moodustades harju e. kriste (cristae). Mutatsioonid mitokondrite geenides võivad põhjustada päritavaid haigusi nagu näiteks silmahaigus, mida tuntakse kui Leberi päritavat optilist neuropaatiat (LHON). Ka vananemist seostatakse mutatsioonidega mitokondriaalses DNA-s.  Kloroplaste leidub ainult taimerakkudes ning neis toimub fotosüntees. Ka kloroplastidel on topeltmembraan. Kloroplastide sisemuses paiknevad membraansed kettad, mida nimetatakse tülakoidideks. Tülakoidid paiknevad kloroplastide keskosas, mida nimetatakse stroomaks. Tülakoidides asub valgust sidiv pigment klorofüll.    Eukarüootsele rakule on iseloomulik ka tsütoskelett. See koosneb valgukiududest, mis annavad rakkudele kuju, võimaldavad neil liikuda ning osalevad rakusiseses organellide paigutuses. Põhiliselt esinevad nad mikrofilamentidena ja mikrotuubulitena. Defektid raku tsütoskeletis on jällegi seotud geneetiliste haigustega. Näiteks Duchenne?i lihaseline düstroofia on põhjustatud mutatsioonidest geenis, mis kodeerib raku tsütoskeletis osalevat valku düstrofiin.      2.2. Lühiülevaade kromosoomidest Rakkude jagunemisel on oluline, et geneetiline materjal jaotuks võrdselt mõlemasse tütarrakku. Geneetiline materjal on organiseerunud struktuuridesse, mida nimetatakse kromosoomideks. Prokarüootse raku genoomiks üks kaksikahelaline DNA molekul, mis on tavaliselt rõngasmolekul. Eukarüootidel on rohkem kui üks kromosoom. Mõnedel liikidel on erinevate kromosoomide arv isegi üle saja. Iga kromosoom koosneb lineaarsest DNA molekulist, mis on valkudega väga tihedalt kokku pakitud. Inimese kromosoomi DNA kontuurpikkus varieerub 2,5 kuni 5 cm vahel. Kõikide inimese kromosoomide DNA kogupikkus ulatub üle meetri. Jagunevates rakkudes on DNA kromosoomides eriti tihedalt kokku pakitud, kondenseerunud, ning iga kromosoom on valgusmikroskoobiga vaadeldes eristatav. Mittejagunevates rakkudes on DNA kokkupakituse aste väiksem ning kromosoomid ei ole üksteisest eristatavad. Jagunevates rakkudes on näha kromosoomide struktuursed iseärasused. Replitseerunud kromosoom koosneb kahest tütarkromatiidist, mis on teineteisega ühinenud tsentromeeri kaudu. Tsentromeeri asukoht on erinevatel kromosoomidel erinev, paiknedes kas kromosoomi keskel või ühes tema otsas. Kromosoomide liikumise eest vastaspoolustele raku jagunemise käigus vastutab tsentromeeris asuv kinetohoor.  Kromosoomide replikatsiooni ja tütarrakkudesse jaotumise seisukohalt on olulised teatavad DNA järjestuslikud elemendid. Mitmed DNA piirkonnad sisaldavad signaale DNA replikatsiooniks. Erinevalt bakteri kromosoomist algab eukarüootse kromosoomi replikatsioon paljudest kohtadest korraga. Tsentromeeri moodustaval DNA järjestusel on kaks erinevat funktsiooni - nende järjestuste kaudu on pärast DNA replikatsiooni omavahel ühendatud tütarkromatiidid ning siia kinnituvad ka valgud, mis viivad tütarkromatiidid jaguneva raku vastaspoolustele. Kromosoomide otstes on telomeersed DNA järjestused, mis vastutavad selle eest, et replitseeruks kogu kromosoomi DNA. Iga kromosoomi puhul on tegemist individuaalse lineaarse DNA molekuliga.      2.3. Rakutsükkel Rakutsükli moodustab jada sündmusi, mille käigus toimub perioodiline DNA replikatsioon ning replitseerunud DNA jaotumine tütarrakkudesse. Eukarüootse raku rakutsüklis eristatakse nelja faasi - G1, S, G2 ja M. Kahte G faasi nimetatakse vahefaasideks (?gaps?), S faasis toimub DNA süntees ning M faasi ajal raku jagunemine. Imetaja rakkude puhul, mida on kasvatatud koekultuuris, kestab rakutsükkel umbes 24 tundi. G1 faas kestab 10 tundi ning sel ajal toimub rakus normaalne metabolism, rakk kasvab suuremaks, tema sisalduvate organellide arv kahekordistub ja toimub ettevalmistus DNA replikatsiooniks. S faas algab DNA replikatsiooniga ning kestab ligikaudu 9 tundi. S faasi lõpuks koosnevad kromosoomid kahest tütarkromatiidist. Kui replikatsioon on lõppenud, läheb rakk faasi G2, mis kestab neli tundi. Selles faasis jätkub raku kasvamine ja ta valmistub mitoosiks. Mitoos (M faas) e. raku jagunemine kestab ligikaudu tunni. Selle käigus liiguvad tütarkromatiidid jaguneva raku vastaspoolustele. Teineteisest eraldunud tütarrakud on geneetiliselt identsed.  Rakutsükli toimumine eukarüootidel on väga täpselt kontrollitud protsess. Üleminek ühest tsükli faasist teise toimub rakuväliste ja rakusiseste keemiliste signaalide koostoimel. Rakutsüklis eristatakse mitmeid kontrollpunkte (checking points). Sisenemine igasse järgmisesse faasi vajab kindlaid signaale. Neid signaale võtavad vastu valgud, mida nimetatakse tsükliinideks ning valgud, mis komplekseeruvad tsükliinidega - tsükliinidest sõltuvad kinaasid CDK (cyclin-dependent-kinases). CDK valgud fosforüleerivad teisi valke, reguleerides sel teel nende valkude aktiivsust ja funktsioone. Üks kõige tähtsamaid rakutsükli kontrollpunkte START paikneb G1 faasi keskel. See kontrollpunkt on reguleeritud D tüüpi tsükliinide ja CDK4 poolt. Kui kontrollpunktis toimub vajalike signaalide rakule edastatamine tsükliin-CDK kompleksi poolt, valmistub rakk minema S faasi. Raku sisenemist S faasi võivad takistada veel hilises G1 faasis saadud negatiivsed signaalid nagu DNA kahjustused või toitainete vähesus. Neid signaale annavad edasi inhibiitorvalgud, pärssides tsükliin-CDK kompleksi toimimist rakus.  Vähirakkude puhul on sageli leitud, et tsükliin-CDK kompleksid on kaotanud reguleeritavuse mutatsioonide tõttu geenides, mis kodeerivad tsükliine või CDK valke. Kui näiteks kontrollpunkt START ei ole õigesti reguleeritav, muutuvad kontrollimatuks rakkude kasv ja jagunemine. Mitmete tuumorite puhul on kirjeldatud just selle kontrollpunkti regulatsiooni häireid. Normaalse rakutsükli regulatsiooni korral rakutsükkel DNA kahjustuste korral peatub, kuni DNA reparatsioonisüsteem need kahjustused kõrvaldab või kui kahjustusi ei suudeta parandada, siis läheb rakk apoptoosi ja sureb. Kui kontrollpunkt ei reageeri õigesti, võib DNA replikatsioon toimuda ka siis, kui DNA-s on kahjustusi. Selle tulemusena suureneb rakus mutatsioonide hulk, millest osa võivad põhjustada vähki.  Prokarüoodi genoom on haploidne, koosnedes ainult ühest kromosoomist, mis on tavaliselt DNA rõngasmolekul. Erinevalt eukarüootsest rakutsüklist ei ole prokarüootne rakutsükkel nii rangelt reguleeritud. Kiiresti kasvavas rakupopulatsioonis võivad bakterirakud jaguneda iga 20 - 30 minuti tagant. Kuna juba ainuüksi bakteri genoomi replikatsioon kestab ligikaudu 40 minutit, on rakutsükli erinevad etapid kattuvad. Samas bakterirakus võib olla erinevatel ajaetappidel algatatud kuni kolm DNA replikatsioonitsüklit, nii et samal ajal kui replitseerunud tütarkromosoomid teineteisest eralduvad ja toimub raku pooldumine, toimub neilt juba omakorda replikatsioon.      2.4. Raku jagunemine mitoosi teel Eukarüootne rakk võib jaguneda nii mitoosi kui ka meioosi teel. Mitoosi teel jagunenud tütarrakud on emarakuga geneetiliselt identsed. Nii emarakk kui ka tütarrakud on diploidsed (2n), mis tähendab seda, et iga kromosoomitüüp on esindatud kahes korduses, homoloogiliste kromosoomide paaridena. Rakkude meioosi teel jagunemisel moodustuvad sugurakud, mis on oma kromosoomselt koostiselt haploidsed (n), sisaldades kõigist homoloogiliste kromosoomide paaridest ainult ühte kromosoomi.  Mitoosi kirjeldas esimesena 1879-ndal aastal Walter Flemming. Mitoosiprotsess on pidev, kuid selle käsitlemise hõlbustamiseks on ta jagatud viieks erinevaks faasiks. Interfaas hõlmab kõik rakutsükli faasid, mis jäävad raku jagunemisfaaside vahele (faasid G1, S ja G2). Raku jagunemisel eristatakse nelja faasi - profaas, metafaas, anafaas ja telofaas. Igale faasile on iseloomulik teatav kromosoomide struktuur ja ?käitumine?. Profaas ja telofaas on teistest pikemad. Esimesed märgid varsti algavast mitoosist on jälgitavad interfaasi rakkude tsütoplasmas paikneva tsentrosoomi duplitseerumise näol. Tsentrosoomi külge kinnituvad mitoosi ajal mikrotuubulitest moodustunud kääviniidid, mis veavad tütarkromatiidid jaguneva raku vastaspoolustele. Varajane profaas algab siis, kui duplitseerunud tsentrosoomid liiguvad raku vastaspoolte suunas. Nende vahele moodustuvad mikrotuubulitest kiud (mitoosikääv). Kromosoomid on veel väljavenitatud, kuid algab nende kondenseerumine ja muutumine diskreetseteks ühikuteks. Hilises profaasis on kromosoomid kõrgelt kondenseerunud. Iga kromosoomi kaks tütarkromatiidi on tsentromeeride kaudu ühendatud. Tsentromeeridega kompleksseeruvad kinetohoorid, mille külge kinnituvad hiljem kromosoomide liikumises osalevad mikrotuubulid. Tsentrosoomid on nüüd liikunud raku vastaspoolustele. Tuumamembraan fragmenteerub ja kaob ning toimub mikrotuubulite kinnitumine tsentromeeridele.  Metafaasis jäävad kondenseerunud tütarkromatiidide paarid kokku ning jaotuvad raku pooluste vahele jäävale ekvatoriaaltasapinnale. Metafaasi kromosoomid on tsütoloogiliselt kõige paremini jälgitavad. Igal kromosoomil on temale ainuomane struktuur. Metafaasikromosoomide analüüsil on võimalik tuvastada kromosoomide kahjustusi ning muutusi kromosoomide arvus. Selliste muutuste kirjeldamine aitab diagnoosida kromosoomidefektidest põhjustatud haigusi.  Anafaasis eralduvad tütarkromatiidide tsentromeerid ning tütarkromatiidid liiguvad raku vastaspoolustele. Nende liikumine toimub mikrotuubulite lühenemise tulemusena. Iga kromatiidi võib nüüd käsitleda iseseisva kromosoomina. Anafaasi kromosoomid on võrreldes metafaaasi kromosoomidega mõnevõrra pikenenud.  Telofaasis on kromosoomid liikumise lõpetanud ja mikrotuubulid jaotuvad laiali. Raku vastaspoolustele liikunud kromosoomide ümber tekib tuumamembraan. Kromosoomid dekondenseeruvad. Seejärel toimub tsütokinees ja rakk jaguneb pooleks. Loomarakkudel toimub see rakumembraani sissesoondumise teel, taimerakkudel moodustub tütarrakkude vahele tselluloosi sisaldav rakuplaat, mille pooled teineteisest eemale tõukuvad. Sõltuvalt organismist ja rakkude keskkonnast võib mitoos kesta mõnest tunnist mitme päevani.      2.5. Raku jagunemine meioosi teel Neli aastat pärast seda, kui oli esmakirjeldatud mitoosi, märkas Edouard van Beneden, et ümarussi Ascaris munarakkudes on kromosoome võrreldes somaatiliste rakkudega poole vähem. Liigile iselomulik kromosoomide arv taastus pärast munaraku viljastamist. Ta nimetas sellist rakujagunemist, kus kromosoomide arv väheneb poole võrra, meioosiks (vähendav jagunemine). Ta arvas ekslikult, et kõik emalt saadud kromosoomid liiguvad ühte tütarrakku ja isalt saadud teise. Tegelikult toimub homoloogiliste kromosoomide jaotumine tütarrakkude vahel juhuslikult. Kuigi meioosiprotsessi oli väga täpselt kirjeldatud juba 19-nda sajandi lõpul, ei osatud seda tol ajal veel pärilikkusega seostada.  Meioosis toimub kaks rakujagunemist. Esimene jagunemine (meioos I) on komplekssem ning seda nimetatakse ka redutseerivaks jagunemiseks (reduction division). Selle jagunemise käigus homoloogilised kromosoomid paarduvad (konjugeeruvad) omavahel ning lahknevad seejärel juhuslikkuse alusel tütarrakkudese. Meioosi teisel jagunemisel (meioos II), mida nimetatakse ka võrdväärseks jagunemiseks (equational division) jaotuvad tütarrakkudesse tütarkromatiidid nii, nagu see toimub ka mitoosis. Esimese meioosi profaas on pikk ja kompleksne ning on selle täpsemaks kirjeldamiseks jagatud viieks erinevaks staadiumiks. Leptonema käigus ilmuvad kromosoomid nähtavale. Zügonema staadiumis toimub homoloogiliste kromosoomide paardumine, mille käigus moodustuvad tetraadid, sest iga kromosoom koosneb kahest tütarkromatiidist. Samas ei ole tütarkromatiidid üksteisest veel eristatavad. Homoloogide kromatiidide vahel toimub DNA segmentide vahetus ristsiirde (crossing over) teel. Homoloogiliste kromosoomide kromatiidide vahel tekivad sünapsid. Jätkub ka kromosoomide kondenseerumine. Kolmandas staadiumis, mida nimetatakse pachynema, on näha, et iga kromosoom koosneb kahest tütarkromatiidist. Jätkub kromosoomide kondenseerumine. Diplonema staadiumis tõukuvad homoloogilised kromosoomid üksteisest eemale, kuid jäävad ühendatuks kiasmide kaudu. Diplonema staadium (kasutusel on ka sünonüüm diploteen) võib osade loomade ja ka inimese puhul kesta aastaid. Inimesel moodustub lootestaadiumis umbes 400000 küpsemata munarakku, ootsüüti, mille jagunemine peatub just selles staadiumis. Alles menstruatsioonitsükli käigus valmib kord kuus üks munarakk, läbides poolelijäänud meioosi. Mida kauem on meioos peatunud, seda suurem on oht, et kromosoomide jaotumises tütarrakkudesse võib olla vigu. Nii näiteks suureneb naistel vanemas eas risk sünnitada Downi sündroomiga laps, mida põhjustab 21 kromosoomi trisoomia. Profaasi viimases staadiumis diakineesis lühenevad kromosoomid veelgi ning tuumamembraan hakkab kaduma. Esimeses metafaasis on kromosoomid tugevalt kondenseerunud ning homoloogiliste kromosoomide paarid asuvad raku ekvatoriaaltasapinnal. Nende tsentromeeride regiooni on seostunud mikrotuubulid ning homoloogiliste kromosoomide otste vahel on jälgitavad veel kiasmid.  Esimeses anafaasis liiguvad homoloogilised kromosoomid raku vastaspoolustele. Tütarkromatiidid jäävad omavahel tsentromeeride kaudu ühendatuks. Seega koosneb iga kromosoom ikka veel kahest tütarkromatiidist.  Järgneb telofaas, kus kromosoomid on jõudnud raku vastaspoolustele ning nende ümber moodustub tuumamembraan. Tütarrakkude tuumad on haploidsed, sisaldades kõigist homoloogiliste kromosoomide paaridest ühte kromosoomi. Lühikese interfaasi käigus DNA replikatsiooni ei toimu. Osade organismide puhul algab meioosi teine etapp vahetult pärast telofaasi ning interfaasi etapp jääb vahele. Meioosi teine etapp meenutab mitoosi ainsa erandiga selles, et kromosoomide arv on poole väiksem. Anafaasis lahknevad tütarkromatiidid raku erinevatele poolustele.      2.5.1. Meioosi häired Meioosi käigus võib esineda vigu kromosoomide jaotumises tütarrakkudesse. Selle tulemusena võib seemne- või munarakku sattuda mõni kromosoom topelt või jääb mõni kromosoom puudu. Kromosoomide ebavõrdset jaotumist meioosi teel esineb küllalt sageli ka normaalsete meeste seemnerakkude puhul - kuni 5% seemnerakkudest sisaldavad ebanormaalset kromosoomide komplekti. Kromosoomide normaalset lahknemist võivad mõjutada mitmesugused keskkonnategurid, näiteks röntgenkiirgus, kemikaalid. Olulist rolli mängib ka indiviidi vanus. Näiteks 20-aastastel naistel on risk saada Downi sündroomiga laps 4:10000, kuid 45-aastastel on see võimalus suurenenud 50 korda (200:10000). Samas esineb ealine sõltuvus ka meeste puhul - ligi 20% ebanormaalse kromosoomide arvuga lapsi sünnib kromosoomide ebavõrdse jaotumise tõttu vanemate meeste seemnerakkudes. Suguvõsade uuringutest on ilmnenud, et osades suguvõsa liinides esineb meioosi häireid sagedamini kui teistes. See viitab sellele, et nende indiviidide puhul on normaalne meioos häiritud mutatsioonide tõttu geenides, mis vastutavad homoloogiliste kromosoomide vahel toimuva geneetilise rekombinatsiooni või tsentromeeridele mikrotuubulite kinnitumise eest.      2.5.2. Meioosi evolutsiooniline tähtsus Esimeses meioosis toimub homoloogiliste kromosoomide juhuslik lahknemine tütarrakkudesse. Inimesel on näiteks 23 paari kromosoome. Iga kromosoomipaari puhul on 50%-line tõenäosus, et gameeti satub emalt päritud kromosoom. Tõenäosus, et ühte gameeti satuvad kõik emalt päritud kromosoomid, on äärmiselt väike - (1/2)23. Seega on kromosoomide võimalike kombinatsioonide arv 223. Geneetilist muutlikkust aitab suurendada veel meioosi esimeses profaasis toimuv geneetiline rekombinatsioon (ristsiire) homoloogiliste kromosoomide kromatiidide vahel.   2.6. Gameetide moodustumine erinevatel organismidel Haploidsete rakkude tekkimist meioosi teel ning nende küpsemist funktsionaalseteks sugurakkudeks (gameetideks) nimetatakse gametogeneesiks.     2.6.1. Munarakkude moodustumine oogeneesi teel Embrüonaalse arengu varajases staadiumis diferentseeruvad rakud erinevateks tüüpideks, milledest ühe puhul moodustuvad hiljem meioosi teel sugurakud. Oogeneesis tekib kahe meioosi teel jagunemise tulemusena ainult üks küps munarakk. Algul korduvalt mitoosi teel jagunenud rakkudest arenevad primaarsed ootsüüdid. Meioosi esimesel jagunemisel pooldub rakk ebavõrdselt: enamus tsütoplasmast satub sekundaarsesse ootsüüti ning teine tütarrakk, mida nimetatakse esimeseks polaarkehaks, on oluliselt väiksem ning hävib hiljem. Sekundaarse ootsüüdi jagunemisel teise meioosi käigus on tsütoplasma jaotumine jällegi ebavõrdne - tekib munarakk, mis sisaldab enamuse tütoplasmast ning väike polaarkeha. Kui munarakk naisel ei viljastu, ta degenereerub.    2.6.2. Spermatogenees Kui munarakud on organismi kõige suuremad rakud, siis seemnerakud vastupidi on kõige väiksemad. Suuruse erinevus on tingitud nende rakkude erinevatest funktsioonidest. Munarakk on suhteliselt liikumatu ning sisaldab hulgaliselt varuaineid, mis on vajalikud embrüo varajaseks arenguks. Seemnerakk on see-eest väga liikuv ning koosneb peamiselt haploidsest tuumast ja sabast. Puuduvad endoplasmaatiline retiikulum, Golgi aparaat ja ribosoomid. Mitokondrid on kogunenud sabasse, kus nad toodavad energiat saba liikumiseks. Seemneraku peas on lisaks tuumale vesiikulid, mis sisaldavad ensüüme, mis aitavad seemnerakul läbida munaraku seina. Spermatogenees algab meestel puberteedi eas ning toimub seejärel pidevalt. Meioosieelsed rakud jagunevad mitoosi teel kuni diferentseeruvad primaarseteks spermatotsüütideks. Primaarsed spermatotsüüdid läbivad esimese meioosi, mille tulemusena moodustuvad sekundaarsed spermatotsüüdid. Pärast teist meiootilist jagunemist on igast primaarsest spermatotsüüdist moodustunud neli haploidset spermatiidi. Spermatiidid diferentseeruvad küpseteks seemnerakkudeks spermatozoidideks. Arenevad seemnerakud jäävad meioosi käigus üksteisega tsütoplasma sildade kaudu ühendatuks seni, kuni neist arenevad spermatozoidid. Spermatogeneesi käigus kaotavad rakud tsütoplasmat.  Munaraku viljastamisel seondub seemneraku pea munarakku ümbritseva kestaga, mida nimetatakse zona pellucida. See kest sisaldab erinevaid glükoproteiine, mis seonduvad seemnerakuga spetsiifiliselt, eristades sama liigi seemnerakke võõraste liikide seemnerakkudest. Kui seemnerakk on seondunud, vabanevad vesiikulitest ensüümid, mis aitavad tal munaraku kesta läbida ning soodustavad rakkude membraanide ühinemist. Kohe pärast membraanide ühinemist vabanevad munaraku membraani sisepinnal asunud kortikaalgraanulitest mitmesugused ensüümid ja muud molekulid, mis muudavad zona pellucida struktuuri, et takistada järgmiste seemnerakkude tungimist rakku.      2.6.3. Sugurakkude moodustumine taimedel Erinevalt loomadest ei moodustu taimede puhul meioosi käigus kohe sugurakud vaid tekivad spoorid. Enne sugurakkudeks saamist jagunevad haploidsed spoorid korduvalt mitoosi teel, moodustades haploidsetest rakkudest koosnevaid gametofüüte (või tekivad gameete produtseerivad taimed). Haploidsete gameetide liitumisel tekivad diploidsed sügoodid, millest mitoosi teel jagunemise käigus moodustuvad sporofüüdid (või tekivad spoore produtseerivad taimed). Tsükkel kordub, spetsiaalsed rakud sporofüütides jagunevad meioosi teel ja moodustuvad haploidseid spoore. Seega esineb taimede elutsüklis nii haploidne kui ka diploidne faas. Sõltuvalt taime liigist on nende kestvus erinev - madalamate taimede puhul on domineerivaks haploidne faas.

Blogi, mis räägib kõigest, mis on Leonhardile oluline ja/või huvitav. Kommenteerige, tellige, lugege, nautige ja õppige.

Geneetiline mitmekesisus

Mine navigeerimisribaleMine otsikasti

Geneetiline mitmekesisus tähendab pärilikke molekulaarseid erinevusi populatsiooni sees või populatsioonide vahel.

Enamasti mõistetakse geneetilise mitmekesisuse all liigisiseseid DNA järjestuse erinevusi, aga varieeruvust saab võrrelda ka liikide vahel. Geneetiline mitmekesisus kui evolutsiooniliste muutuste alus on alati olnud põhiküsimus evolutsioonilises geneetikas, aga ka põllukultuuride ja koduloomade aretamises ning meditsiinis. Samuti on geneetiline mitmekesisus kesksel kohal looduskaitsegeneetikas, mille eesmärk on tagada liikide kohastumisvõime muutuvas keskkonnas. Hoolimata olulisest rollist evolutsiooniteoorias ja avastustest molekulaarbioloogias, on geneetilises mitmekesisuses ja selle püsimises veel palju mõistatuslikku.

Uurimise ajalugu

Molekulaarse evolutsiooni ajastu juhatasid sisse kolm peamist avastust:

1. Clement Markert ja Freddy Moller leidsid 1959. aastal ensüümide molekulaarse mitmekesisuse ja nende tähtsuse geneetikas, füsioloogias, arengus ja evolutsioonis;
2. Emile Zuckerkandl ja Linus Pauling identifitseerisid 1965. aastal valkude järjestuste varieeruvuse liikide vahel, mille tulemusena postuleeriti molekulaarne kell;
3. 1966. aastal hindasid Richard Lewontin, John Lee Hubby ja teised ensüümide varieeruvuse äädikakärbsel ja Harry Harris inimesel.

Molekulaarbioloogilised saavutused võimaldasid iseloomustada indiviidide, populatsioonide ja liikide geneetilist mitmekesisust. Esmalt selgusid suhted geenide ja valkude vahel, edaspidi tuumasisesed ja tuumavälised kodeerivad ja mittekodeerivad DNA regioonid, geenide, geenidevaheliste alade (intergenic spacers) ja geeniperekondade struktuur, avaldumine, funktsioon, mehhanismid ning evolutsioon. Selleks kasutati rekombinantse DNA meetodeid.

Edasijõudmised molekulaarsetes uuringutes leidsid aset tänu uute laboratoorsete meetodite kasutuselevõtule. Mõjukaimad tehnoloogiad on olnud: valkude elektroforees 1960ndate lõpus ja 1970ndatel,rakutuuma ja mitokondriaalse DNA restriktsioonifragmentide pikkuse polümorfismi (RFLP) analüüsid 1970ndate lõpul ja 1980ndatel, DNA sõrmejäljed 1980ndate keskpaigast lõpuni ja DNA sekveneerimine polümeraasi ahelreaktsiooni (PCR) abil 1990ndatel.

Võrdleva genoomika ja genoomiuuringute üks eesmärke on juhtida tähelepanu evolutsiooniliste muudatuste ning bioloogilise info avaldumise, tähenduse, edastamise ja regulatsiooni geneetilistele alustele.

Geneetilise mitmekesisuse tähtsus

Geneetilise mitmekesisuse funktsiooni populatsioonis on selgitanud paljud uuringud. Rikkalik genofond pakub looduslikule valikule materjali, et valida paremini kohastunud genotüüpe. Keskkonna muutumise korral võimaldavad variatsioonid geenides genereerida muutusi organismi fenotüübis, et muuta organismi kohasemaks uutes oludes. Populatsioonides, kus on kõrge geneetiline mitmekesisus, on rohkem alleelivariante, mille hulgast saab looduslik valik sagedasemaks muuta kõige sobivamad. Seega on geneetiline mitmekesisus tähtis evolutsiooni toimumiseks. Madala geneetilise mitmekesisusega liikidel on suurem risk välja surra. Madal geneetiline mitmekesisus ei pruugi põhjustada ainult populatsiooni kohastumisvõime langust, vaid ka tõsta energeetilisi kulutusi ning tuua kaasa homöostaasi ja produktiivsuse vähenemise. Geneetiline mitmekesisus tagab geneetiliste distantside esinemise liigisiseselt ja liikide vahel. Teadmised sellest teevad võimalikuks liikide ja tüvede identifitseerimise geneetilise profiili alusel, fülogeneesipuude rajamise, on abiks looduskaitse majandamisel, põllumajanduses ja meditsiinis.

Näiteid geneetilise mitmekesisuse ökoloogilisest olulisusest

• Meemesilaste kolooniates avaldab geneetiline mitmekesisus positiivset mõju. Kõrge mitmekesisusega kolooniad säilitavad vastusena temperatuuri muutustele edukamalt ühtlast temperatuuri kui need, kus mitmekesisus on madal. Ilmselt on põhjuseks tööliste erinevused geenides, mis määravad temperatuuri, millest alates hakkab neil avalduma vastav käitumine pesatuulutamiseks.
• Põlluviljade monokultuurides on taimed geneetiliselt väga sarnased ja see suurendab nende vastuvõtlikkust haigustekitajatele. Kui peremeest patogeeni vastu kaitseva alleeli sagedus on kõrge, siis juhul, kui patogeen muutub võimeliseks kaitsest läbi murdma, saab ta edukalt levida. Näiteks 1840ndatel Iirimaad laastanud näljahäda oli põhjustatud kartulite epideemiast. Kartulisorti „lumper“ nakatas mädanikku põhjustav protist Phytophthora infestans.
• Geparditel on võrreldes teiste suurte kaslastega madalam reproduktiivsus ja suurem vastuvõtlikkus haigustekitajatele. Selle põhjuseks arvatakse olevat madal geneetiline mitmekesisus. Molekulaarsete analüüside tulemused näitasid, et gepardid on läbinud kaks populatsiooni pudelikaela. Esimene kord 10 000 aastat tagasi ja teine viimase 100 aasta jooksul.

Geneetilise mitmekesisuse võimalikud allikad

Protsessid, mis põhjustavad geneetilist varieeruvust:

• Geneetilised mutatsioonid 
• Homoloogiline rekombinatsioon suguliselt paljunevate organismide meioosis, kui kaks homoloogilist kromosoomi vahetavad võrdse pikkusega osi ning tekivad rekombinantsed kromosoomid.
• Horisontaalne geeniülekanne, mis esineb sagedasti näiteks bakteritel. Bakterid saavad DNA-d omastada väliskeskkonnast transformatsiooni teel, teistelt bakteritelt kas viiruste vahendatud transduktsiooni või bakterirakkude vahelist kontakti eeldava konjugatsiooni teel.
• Polüploidsus – organismil on rakus homoloogilisi kromosoome rohkem kui kaks. Seega on ka ristsiirde tulemusena tekkiv geneetiline varieeruvus suurem.

Geneetilise mitmekesisuse säilimine looduses

Geneetilise mitmekesisuse säilimine looduslikes populatsioonides on olnud evolutsioonilise geneetika keskne probleem alates valkude polümorfismi avastamisest. Nüüdseks on teada, et ainult juhuslikkusel põhinevad seletused, mis seovad heterosügootsust peamiselt populatsiooni suuruse efektidega, ei ole realistlikud. Populatsioonid on abiootiliste (nt kliima) ja biootiliste (nt. parasiidid, patogeenid, konkurents) faktorite tõttu harva tasakaaluseisundis. Seetõttu esineb ka dünaamiliselt muutuvate looduslike populatsioonide geneetilises mitmekesisuses järske tõuse ja langusi ökoloogilise surve mõjul. Peamised mudelid selgitavad geneetilise mitmekesisuse püsimist looduses pigem seoses keskkonna heterogeensuse (erinevad nišid) ja survega kui efektiivse populatsiooni suuruse ja geenivooluga. Looduslik valik tundub olevat põhiline geneetilist mitmekesisust säilitav evolutsiooniline jõud.

Geneetilise mitmekesisuse määratlemine

Geneetilist mitmekesisust võib defineerida ja hinnata mitmeti. Levinumad geneetilise mitmekesisuse mõõdupuud on järgmised:

• alleelide mitmekesisus – ühendab informatsiooni alleelide arvu ja suhtelise sageduse kohta lookuses. Seda mõõdetakse tavaliselt molekulaarsete markerite abil, mis on eeldatavasti neutraalsed;
• alleelide keskmine arv lookuses;
• genotüüpide arv populatsioonis;
• heterosügootsus – kaht erinevat alleeli sisaldavate lookuste protsent;
• nukleotiidide mitmekesisus – keskmine nukleotiidsete erinevuste arv lookuses kahel populatsioonist juhuslikult valitud isendil;
• polümorfsete lookuste protsent;
• geneetiline dispersioon ehk muutlikkus – muutlikkus fenotüübis avalduva tunnuse osas, mis on põhjustatud geneetilistest erinevustest;
• päritavus – kogu geneetilise muutlikkuse suhe kogu muutlikkusesse.

Inimese genoom

Uurimismeetodid

Valkude polümorfismi uurimine

1955. aastal võeti kasutusele valkude elektroforees, tehnika, mis võimaldab eraldada proteiine nende erineva liikuvuse järgi elektriväljas. Ensüümi variante, mis erinesid liikuvuse poolest elektroforeesil, aga olid kodeeritud sama lookuse poolt, hakati nimetama allosüümideks. Allosüümide kasutamisel populatsioonide geneetilise mitmekesisuse uuringutes ilmnesid aga mõningad puudused. Selgus, et tegelik geneetiline varieeruvus jääb avastamata geneetilise koodi kõdumise tõttu. Sünonüümsed nukleotiidide asendused, nn vaikivad mutatsioonid, muudavad koodoni DNA järjestust, aga ei põhjusta aminohappe asendumist ja seega ei mõjuta valku. Ka siis, kui on tegemist mittesünonüümse nukleotiidi asendusega, mis muudab aminohappelist järjestust, on uus alleel elektroforeesil tuvastatav ainult siis, kui ta on muutnud elektrilaengut, massi või struktuuri. Paljudel aminohappe asendustel sellist mõju pole.

DNA polümorfismi uurimine

Edasised arengud geneetiliste erinevuste uurimises võimaldasid otsesemalt analüüsida DNA järjestusi. Esimene selline tehnoloogia oli RFLP, mille puhul võrreldi restriktsiooni fragmentide pikkuse erinevusi. Mõjukaimaks abivahendiks geneetilise mitmekesisuse mõõtmisel sai PCR. Võrdlev genoomika, mis võimaldab hinnata erinevate taksonoomiliste gruppide sugulust geneetiliste erinevuste põhjal, on teinud suuri arengusamme. Mitmesugustel organismidel sekveneeritud geenijärjestuste kohta on koostatud mahukaid andmebaase. Allpool on toodud levinumad DNA mitmekesisuse uurimiseks kasutatavad meetodid.

• RFLP (restriction fragment length polymorphism) – restriktsioonifragmentide pikkuse polümorfism. Meetod selleks, et identifitseerida polümorfismi DNA järjestustes, kasutades restriktsiooni ensüüme ja geelelektroforeesi. Mutatsioone sisaldava DNA lõikamisel restriktaasiga tekivad teistsuguse pikkusega fragmendid võrreldes esialgse DNA-ga.
• RAPD (randomly amplified polymorphic DNA) – juhuslikult amplifitseeritud polümorfne DNA. DNA järjestustes esineva polümorfismi tuvastamiseks kasutatakse PCR-is suvalisi praimereid ja produkte uuritakse elektroforeesi abil.
• AFLP (amplified fragment length polymorphism) – amplifitseeritud fragmentide pikkuse polümorfism. Meetod põhineb DNA järjestuste polümorfismi hindamisel. Restriktsioonifragmente amplifitseeritakse PCR-i abil.
• Mini- ja mikrosatelliide uuringud. Mini- ja mikrosatelliidid on tandeemsed kordusjärjestused, mille pikkuses esineb polümorfism. Üksteisest erinevad need nukleotiidide arvu, mutatsiooniprotsesside ja kromosoomidesse jaotumise poolest, aga kahe klassi vaheline piir ei ole defineeritud.
• SNP (single mucleotide polymorphism) – erinevaid nukelotiide sisaldavate alleelide esinemine DNA järjestuse kindlas punktis.
• Mikrokiibid (microarrays) – suur hulk (tavaliselt tuhandeid) erinevaid DNA või oliginukleotiidseid järjestusi on üksteise järel ritta seatud tahkel substraadil. Kasutatakse hübridisatsiooni eksperimentides, et uurida SNP-sid ja geeniekspressiooni mustreid.

GENEETIKA: Dihübriidne ristamine

Blogi, mis räägib kõigest, mis on Leonhardile oluline ja/või huvitav. Kommenteerige, tellige, lugege, nautige ja õppige.

Dihübriidsel ristamisel vaadeldakse kahe erinevates kromosoomipaarides paikneva, teineteisest sõltumatu alleelipaari pärandumist. 

Mendeli 3. sõltumatu lahknemise seadus

Homosügootide ristamisel moodustuvad F2 põlvkonnas vanemate tunnuste kõikvõimalikud kombinatsioonid, kui geenialleelid asuvad erinevates kromosoomides (teineteisest piisavalt kaugel ).

Erinevates kromosoomides paiknevad geenid päranduvad üksteisest sõltumatult. 9:3:3:1 = fenotüübiline lahknemissuhe domineerimise korral mõlemas alleelipaaris.

Ristati valge lühisabaline kass pruuni pikasabalise kassiga. F1 isendid olid kõik pruunid ja pikasabalised. 

 Koosta pärandumisskeem

 Määra vanemate ja F1 ning F2 järglaste genotüübid.

Dihübriidne ristamine:
1. Pruunisilmse tumedajuukselise mehe ja sinisilmse heledajuukselise naise lapsed olid kõik pruunide silmade ja tumedate juustega. Milliste tunnustega ja millise tõenäosusega võivad olla lapselapsed. Kui pruunisilmse tumedapäise tütre mees on  samuti pruunisilmne ja tumedapäine ning mõlema tunnuse suhtes heterosügoot.

A – brünett

a – blond

B – pruunisilmne

b - sinisilmne

P: AABB x aabb

F1: AaBb

P: AaBb x AaBb

V: 9/16 brünett ja pruunisilmne; 1/16 blond ja sinisilmne; 3/16 blond ja pruunisilmne; 3/16 brünett ja sinisilmne 

Mendeli III seaduse tõttu võib dihübriidset ristamist vaadelda kahe monohübriidse ristamisena.

Sel viisil monohübriidsetel ristamistel saadud genotüüpide esinemise tõenäosused korrutatakse, domineerimise korral näiteks: (3:1)x(3:1) = 9:3:3.1

2. Ristati must pikakarvaline merisiga analüüsivalt valge lühikese karvaga meriseaga. F1 isendid olid pooled mustad pikakarvalised, pooled mustad lühikese karvaga. Määrake vanemate ja F1 järglaste genotüübid. 

3. Inimesel pruun silmavärvus domineerib siniste üle, paremakäelisus vasakukäelisuse üle, kusjuures nimetatud geenid paiknevad eri kromosoomides. Millised lapsed võivad sündida kui 

 pruunisilmne paremakäeline (mõlema tunnuse suhtes homosügootne) abiellub sinisilmse vasakukäelisega, 

b) mees on sinisilmne ja paremakäeline, naine pruunisilmne ja paremakäeline (mõlema tunnuse suhtes heterosügootne)?

4. Mõlemal vanemal on vererühmad AB, Rh+. Millise tõenäosusega võiks neil sündida poeg vererühmadega B, Rh–? Milliste vererühmadega lapsi ja millise tõenäosega võib selles peres veel sündida? 

P: IAIBRr x IAIBRr

Vastus: 6/16 AB Rh+; 3/16 A Rh+; 3/16 B Rh+; 2/16 AB Rh-;1/16 A Rh-; 1/16 B Rh-
Dihübriidne ristamine:

5. Punaseõielist kitsalehelist lõvilõuasorti ristati valgeõielise laialehise sordiga. Esimese põlvkonna hübriidtaimed olid kõik roosaõielised ja keskmise lehelaiusega. Missuguseid taimi on oodata F2 põlvkonnas? Missugune osa F2 taimedest peaks sarnanema kummagi lähtesordiga? 

Ā Ā – punane

aa – valge

Āa – roosa

BB – kitsaleheline

bb – laialeheheline

Bb – keskmise lehe laiusega

P: ĀĀBB x aabb

F1: ĀaBb

P: ĀaBb x ĀaBb

V: 1/16 punane kitsalehine  (ĀĀBB) ja 1/16 valge laialehine (aabb)

Dihübriidne ristamine:

6. Lainesjuukseline bariton abiellus lainesjuukselise metsosopraniga. Vanemate mõlemad tunnused olid intermediaarsed. Missugune on tõenäosus, et nende laps on 

 lainesjuukseline bass 

b) lokkisjuukseline sopran? 

(Bass, bariton, tenor; Alt, metsosopran, sopran ). 

GENEETIKA: Monohübriidne ristamine

Blogi, mis räägib kõigest, mis on Leonhardile oluline ja/või huvitav. Kommenteerige, tellige, lugege, nautige ja õppige.

Geneetika mõisted

Pärilikkus – organismide võime anda endasarnaseid järglasi.

Geneetika – teadusharu, mis uurib pärilikkust ja muutlikkust.

Geen – DNA lõik, mis määrab ühe RNA molekuli sünteesi (ja ka tavaliselt ühe tunnuse).

Alleel – geeni üks esinemisvorm (geeni erivorm). Nad asuvad homoloogiliste kromosoomide kindlas piirkonnas – lookuses.

Dominantne alleel – alleel, mille poolt määratud tunnus alati avaldub (tähistatakse suurtähega nt. A). 

Retsessiivne alleel – alleel, mille poolt määratud tunnus avaldub vaid dominantse alleeli puudumisel (tähistatakse väiketähega nt. a). 

Homosügoot – organism/rakk, kellel on vaadeldava tunnuse suhtes identsed alleelid, (alleelipaari seisund, kus mõlemad alleelid on kas dominantsed või retsessiivsed). Nt. AA või aa

Heterosügoot – organism/rakk, kellel on vaadeldava tunnuse suhtes erinevad alleelid (ühe geeni erinevad alleelid). Nt. Aa

Geenifond – liigi või populatsiooni geenide kogum

Genotüüp – organismi geenide kogum

Fenotüüp – organismi avaldunud tunnuste kogum

Polüalleelsus – geen esineb populatsioonis rohkem kui kahe variandina (üle kahe alleeli organismirühmas)

Polügeensus – ühte tunnust määrab palju geene

Intermediaarsus – domineerimisnähtus puudub, tunnuste vahepealne avaldumine

Kodominantsus – avalduvad mõlemad tunnused

Gregor Johann Mendel (1822-1884)

Austria munk, kes pani aluse geneetikale. 

Ta tegi katseid hernestega, et selgitada tunnuste pärandumist. Valides hoolikalt, milliseid taimi omavahel ristata, avastas ta, et tunnused päranduvad paarikaupa.

Ta leidis ka, et tavaliselt avaldub fenotüübis ainult üks tunnus igast paarist. 

Geneetikaülesannete sümbolid:

Mendel võttis kasutusele geneetika ülesannete ja skeemide sümbolid (kasutusel tänapäevani).

  P – parentes (vanemad)

  F – filia, filialis (tütar ja poeg)

  x – ristamine

F1, F2, F3 – põlvkonnad.

Monohübriidne ristamine

Monohübriidse ristamise korral erinevad vanemad ühe tunnusepaari poolest.

- vaadeldakse vaid ühe tunnuse kujunemist järglastel.

Mendeli esimene seadus ehk ühetaolisuse seadus 

Homosügootide omavahelisel ristamisel moodustunud esimene järglaspõlvkond on genotüübilt samad, (heterosügootsed) ja fenotüübiliselt sarnased

     sile                  krobeline

S-genotüüp

s-Fenotüüp

Ss-F1

siledad

Mendeli teine ehk lahknemisseadus 

Homosügootide omavahelisel ristamisel toimub järglaspõlvkonnas F2 tunnuste lahknemine seaduspäraselt (genotüübilises suhtes 1:2:1, fenotüübilt 1:2:1 või domineerimise korral 3:1 )

Järglastest genotüübilt: 

1 osa on dominantseid homosügoote (BB), 

2 osa heterosügoote (Bb) ja 

1 osa retsessiivseid homosügoote (bb).

Mendeli monohübriidne ristamine:

Herneste tunnused, mille pärandumise uurimise põhjal Mendel on seaduspärasused sõnastanud:

Inimese dominantsed ja retsessiivsed tunnused:

Analüüsiv meetod:

Taimede või loomade heterosügootsuse määramiseks. 

 Dominantse tunnusega isend ristatakse kaksikretsessiivse tunnusega isendiga. 

 Kui järglased on kõik dominantse tunnusega, on uuritav dominantse tunnusega isend homosügoot – sellisel juhul on tegemist tõu- või sordipuhta liigiga. 

 Kui järglaskonnas toimub lahknemine ja saadakse erinevate tunnustega organismid, siis järelikult on uuritav dominantse tunnusega organism selle tunnuse suhtes heterosügoot – sellisel juhul ei ole tegemist tõu- või sordipuhta liigiga.

Genealoogiline meetod:

Inimese sugupuu abil tema genotüübi väljaselgitamine. 

 Selgitatakse kas inimene on selle tunnuse suhtes homosügoot või heterosügoot. 

 Peamiselt kasutatakse pärilike haiguste riski tuvastamiseks

 Inimese puhul analüüsivat ristamist kasutada ei saa.

Ülesanded:

Sinisilmne mees abiellus pruunisilmse (homosügoot) naisega. Mis värvi silmadega sünnivad nende lapsed? Koosta ristamise genotüübiline skeem!

P: aa x AA

a - sinisilmne

A - pruunisilmne

Vastus: Lapsed on kõik pruunisilmsed

2. ülesanne:

Pruunisilmne mees ja pruunisilmne naine (mõlemad on heterosügoodid) saavad lapse. Kui suur on tõenäosus, et lapsel on sinised silmad? Koosta ristamise genotüübiline skeem!

3. ülesanne:

Sinisilmne mees abiellus naisega, kellel on pruunid silmad. Perekonnas on 2 tütart, üks siniste, teine pruunide silmadega. Milliseid lapsi võiksid tütred saada abielludes sinisilmsete meestega, kui pruun silmavärvus domineerib sinise üle? Koosta ristamise genotüübiline skeem.

4.ülesanne:

Ristati kahte mustakarvalist merisiga. Saadi 3 poega, kellest 2 olid mustakarvalised ja üks pruunikarvaline. Koosta ristamisskeem! Kas tegemist oli tõupuhaste merisigadega?

P: Aa x Aa

Vastus: Ei ole tõupuhtad, kuna esines ka pruune sigu

5. ülesanne:

Eesmiste purihammaste puudumine pärandub dominantselt. Perekonnas, kus mõlemal vanemal esines nimetatud puue, sündis normaalne tütar. Kui suur on tõenäosus, et nende järgmisel lapsel eesmised purihambad puuduvad?

6.ülesanne:

 Nudipäist veisetõugu ristati sarvilise tõuga. Hübriidid olid kõik nudid. Neid ristati omavahel ja F2 põlvkonnas saadi 52 vasikat. Milline on teoreetiline oodatav arvuline lahknemine genotüüpide ja fenotüüpide järgi?

7.ülesanne:

 Paaritades nudi pulliga (dom. tunnus) sarvilisi lehmi saadi Ühes karjas 117 nudi ja 121 sarvedega vasikat. Joonistada genotüübiline skeem. Kas kahe sarvedega looma ristamisel võib saada nudisid järglasi? Nudide ristamisel sarvedega järglasi? Tehke vastavad skeemid!

Intermediaarsus:

8.ülesanne:

 Ristatakse punast lillhernesorti valgeõielise sordiga. F1 põlvkonnas on kõik hübriidid roosaõielised. Milliseid lillherneid on oodata F2 põlvkonnas? Koosta ristamisskeem!

9.ülesanne: Albinismigeen domineerib valge värvuse üle. Missugune tuleb genotüübiline ja fenotüübiline lahknemine F1 põlvkonnas kui omavahel ristati kahte albiinot valge värvusgeeni suhtes heterosügootset hobust? (On teada, et homosügootsed albiinod hukkuvad juba looteeas).

10.ülesanne: Kui suur on tõenäosus, et heterosügootsete pruunisilmsete vanemate kahest lapsest on üks sinisilmne ja teine pruunisilmne?

11. Ristatakse punast lillhernesorti valgeõielise sordiga. F1 põlvkonnas on kõik hübriidid roosaõielised. Milliseid lillherneid on oodata F2 põlvkonnas? Koosta ristamisskeem!

P:   ĀĀ x aa

aa - valge

ĀĀ - punane

Vastus: Saadakse punaseid, valgeid ja roosasid lillherneid

12. ülesanne: Kodominantsus: Ristatakse valge kana ja pruun kukk. F1 põlvkonnas on kõik tibud pruuni-valgekirjud. Milliseid tibusid on oodata F2 põlvkonnas, kui F1 pruunivalge kana ristatakse pruuni kukega? Koosta ristamisskeem!

13.ülesanne: Punaseviljalise aedmaasika ristamisel valgeviljalise sordiga on F1 hübriidid roosaviljalised. Milliseid tulemusi on oodata F1 hübriidi ristamisel punaseviljalise sordiga?

14.ülesanne: Peres on vanemad laineliste juustega (Āa). Kui suur on tõenäosus, et sellesse perre sünnivad järgnevate fenotüüpidega lapsed:

a) laineliste juustega

b) lokkisjuukseline või laineliste juustega

c) sirgete juustega tütar?