Mendelism 3-4

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

3. Mendelism: pärilikkuse üldprintsiibid

 

19. sajandi keskel uuris Brnos (Tsehhimaal) augustiinlaste kloostri munk Gregor Mendel (1822-1884), kes oli ka loodusteadlane ja kooliõpetaja, milliste seaduspärasuste alusel kanduvad organismide tunnused üle järglastele. 1865.a. avaldas ta tulemused, mis panid aluse uue teadusharu – geneetika sünnile. Mendel katsetas erinevate taimedega ja isegi mesilastega, kuid edu saavutas ta siiski eeskätt aedhernestega. Katsed hernestega olid  lõpule viidud juba 1863. aastaks. Mendel kulutas veel paar aastat tulemuste analüüsimiseks, kuid kahjuks ei pälvinud tema artikkel tähelepanu selle sajandi alguseni.

 

Aastal 1900 otsisid sõltumatult kolm botaanikut Hugo de Vries Hollandist, Carl Correns Saksamaalt ning Eric von Tschermak-Seysenegg Austriast varem publitseeritud andmeid, mis kinnitaksid nende endi katsetulemusi pärilikkuseteoorias ja leidsid, et Gregor Mendel oli samad seaduspärasused kirjeldanud juba 35 aastat tagasi. Nüüd levisid Mendeli ideed kiiresti ja seda eeskätt tänu inglise bioloogi William Batesoni aktiivsele tutvustustööle. Pärilikkuseteaduse asemel võeti kasutusele uus termin geneetika (tuleneb kr.  keelsest sõnast tähendusega “tekitama”).

 

Mendeli objekt aedhernes Pisum sativum

 

Mendeli edu tulenes õnnestunud objekti valikust. Aedherne eripäraks on see, et tema õite kroonlehed on allapoole tihedalt suletud, vältimaks tolmuterade väljumist ja võõraste sisenemist. Selline süsteem tagab iseviljastumise, kus nii munarakk kui ka seemnerakk pärinevad samast õiest. Erinevalt teistest bioloogidest, kes püüdsid korraga jälgida mitmete väga erinevate tunnuste pärandumise seaduspärasusi, kontsentreerus Mendel vähestele hästieristuvatele parameetritele – taimede pikkus, seemnete värvus.

 

Monohübriidne ristamine: dominantsuse ja lahknemise printsiip

 

Mendel ristas kõrgekasvulisi hernetaimi kääbuskasvulistega. Järglaskond oli kõrgekasvuline sõltumata sellest, kas tolmuterad, mida kasutati viljastamiseks, pärinesid kõrgekasvuliselt hernelt ja tolmendati kääbuskasvulise taime õisi või vastupidi. Kõrgekasvulise järglaskonna puhul toimus iseviljastumine ning järgmises põlvkonnas ilmnes tunnuste lahknemine. 1064-st järglasest 787 olid kõrgekasvulised ja 277 kääbused, lahknemissuhe oli ligikaudu 3:1. Mendel märkas, et kääbuskasv võib hübriidides esineda latentsena, olla varjutatud faktori poolt, mis määrab taimede kõrge kasvu. Latentne faktor oli retsessiivne ja avalduv faktor dominantne. Mendel järeldas, et hübriidsete taimede järglaskonnas pidi olema toimunud dominantse ja retsessiivse faktori lahknemine. Kuidas teisiti oleks võimalik seletada kääbuskasvuliste järglaste ilmumist.

 

Mendel kordas katseid aedhernega ka teiste tunnuste pärandumise seaduspärasuste uurimiseks. Ta viis läbi seeria monohübriidseid ristamisi erinevate vastandlike tunnuste suhtes, jälgides seemnete tekstuuri, värvust, kaunade kuju ja värvust, õite värvust ja asukohta. Kõigil juhtudel avaldus hübriidsete taimede tunnuste puhul üks vastandlikest omadustest ning hübriidide iseviljastumise tulemusena saadud järglaskonnas toimus faktorite lahknemine suhtega 3:1. Hiljem, 1909. aastal võttis Taani taimearetaja W. Johannsen nende faktorite asemel kasutusele termini geen, mille retsessiivseid ja dominantseid vorme hakati nimetama alleelideks (kr. keeles “üks teisest”).                

 

Mendel tegi oma katsetulemustest ka teise olulise järelduse: geenid esinevad paaridena. Taimed, mida ta kasutas ristamiseks, sisaldasid kahte identset geenikoopiat. Kaasaegse terminoloogia kohaselt olid need taimed diploidsed ja homosügootsed. Gameetides säilus aga ainult üks geenikoopia, need rakud olid kaasaegse terminoloogia põhjal haploidsed. Geenide diploidsus taastus sügoodi moodustumisel. Kui munarakk ja seemnerakk pärinesid geneetiliselt erinevatelt taimedelt, sisaldas sügoot kahte erinevat alleeli, millest üks pärines isalt ja teine emalt. Selline järglaskond oli heterosügootne.

 

Selleks, et tähistada pärilikkusefaktoreid, kasutas Mendel sümboleid. Geneetiliste sümbolite kasutamise kõige üldisemad printsiibid on tänapäevani säilunud. Näiteks taimede kasvu mõjutavaid alleele märgitakse järgmiselt: d – kääbuskasv (d pärineb inglise keelsest sõnast “dwarfness”, kääbusus); D - dominantne kõrget kasvu määrav alleel. Üldiselt lähtutaksegi sellest, et alleeli tähistus tuleneb retsessiivsest tunnusest. Seega märgitakse kõrgekasvuliste ja kääbuskasvuliste taimede alleelset koostist e. genotüüpi vastavalt DD ja dd. Tunnuste ilmetüüpi, antud juhul siis kõrget või kääbuskasvu, nimetatakse isendite fenotüübiks.

 

Ristamises osalenud vanemaid (inglise keeles “parents”) tähistatakse tähega P – P generatsioon. Nende hübriidset järglaskonda tähistatakse F₁, tähistus tuleneb ladinakeelsest terminist. F₁ põlvkond on genotüübilt Dd ja fenotüübilt kõrgekasvuline nagu DD genotüübiga vanematel. F₁ järglased produtseerivad kahte tüüpi gameete – D  ja d genotüübiga, alleelid D ja d lahknevad e. segregeeruvad teineteisest sõltumata. Iseviljastumise tagajärjel liituvad gameedid erinevates kombinatsioonides, produtseerides nelja tüüpi sügoote: DD, Dd, dD ja dd. Munarakust pärinev alleel märgitakse tavaliselt esimesena. Kuna D on dominantne alleel, siis on kolme esimese genotüübi puhul järglaskond ühesuguse fenotüübiga – kõrgekasvuline. Ainult genotüübi dd korral avaldub kääbuskasv. Seega on iseviljastumise teel saadud järgmine generatsioon F₂ kas kõrgekasvuline või kääbuskasvuline lahknemissuhtega 3:1. Alleelide segregeerumise bioloogiliseks aluseks on homoloogiliste kromosoomide paardumine ja sellele järgnev lahknemine tütarrakkudesse meioosiprotsessis.

 

 

 

Seega kehtivad Mendeli  poolt teostatud monohübriidsetel ristamistel kaks printsiipi:

 

1.      Dominantsuse printsiip – heterosügootides esineb üks alleelidest varjatud kujul.

 

2. Segregeerumise printsiip – kaks erinevat alleeli segregeeruvad heterosügootide gameetide moodustumisel.

 

Neid kahte printsiipi tuntakse ka Mendeli I ja II seadusena:

Mendeli I seadus e. ühetaolisuse seadus – Erinevate homosügootsete isendite ristamisel on esimese põlvkonna järglased F₁ kõik ühetaolised heterosügoodid sõltumata ristamise suunast.

Mendeli II seadus e. lahknemisseadus – Heterosügootide (hübriidide) järglaskonnas toimub geneetiline lahknemine, nii et kindlates sagedussuhetes tekivad nii homosügootsed kui ka heterosügootsed isendid.

 

Dihübriidne ristamine: sõltumatu lahknemise seadus e. vaba kombineerumise seadus (Mendeli III seadus)

 

Mendel viis läbi ka selliseid ristamisi, kus taimed erinesid teineteisest rohkem kui ühe tunnuse osas. Ta ristas kollaste ja ümmarguste seemnetega herneid roheliste ja kortsus seemnetega hernestega. Katse eesmärgiks oli kontrollida, kas kaks tunnust, seemnete värvus ja tekstuur päranduvad sõltumatult. Kuna F₁ põlvkonna taimede seemned olid kollased ja ümmargused, olid vastavad alleelid dominantsed. F₁ põlvkonnas ilmnesid neli erinevat fenotüüpi: vanematega sarnased kollased ja ümmargused ning rohelised ja kortsulised ja kaks uut kombinatsiooni – rohelised ja ümmargused ning kollased ja kortsulised. Seega olid värvus ja tekstuur kontrollitud erinevate geenide poolt, mis kandusid järglaskonda sõltumatult. Toimus ka mõlemate geenide alleelide lahknemine. Sellist kahe tunnuse suhtes jälgitavat ristamist nimetatakse dihübriidseks ristamiseks. Alleelide tähised tuletati retsessiivsetest omadustest: g – “green”; w – “wrinkled”. Kasutades sümboleid, näeb vastav ristamise skeem välja järgmine:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Vanemad                P                              kollased, ümmargused                         rohelised, kortsulised

                                                                                                                                X

                                                                                GG WW                                                                  gg ww

 

                                                Gameedid                  G W                                                                       g w

 

                                F₁                                                                   kollased, ümmargused

 

                                                                                                                  Gg Ww

 

                                                Gameedid                              GW                Gw                gW                gw

 

 

                                                                                                                Iseviljastumine

 

                                F₂                                                                            4 erinevat fenotüüpi, 9 genotüüpi

                                                                                                                                kollased, ümmargused  9/16

                                                                                                                                kollased, kortsulised              3/16

                                                                                                                                rohelised, ümmargused 3/16

                                                                                                                                rohelised, kortsulised          1/16

 

 

Erinevad alleelipaarid segregeeruvad, kombineeruvad üksteisest sõltumatult.

 

Vt. Viikmaa leksikon!

 

 

Mendeli seaduste kasutamine inimese geneetikas

 

Mendeli seadusi hakati laiemalt kasutama varsti pärast nende üleavastamist käesoleva sajandi algul. Inimese pärilikkuse geneetilise analüüsi aluseks on informatsioon, mis on saadud sugupuude uurimisest. Põhilised raskused seisnevad selles, et järglaskond on väike, sugupuud sageli ebatäielikult koostatud, alati pole kirjas õige isa. Oluline on ka ajafaktor - mõned haigused ilmnevad alles keskeas. Sellegipoolest on tänaseks geneetiliselt iseloomustatud palju erinevaid haigusi ning indiviidide väliseid tunnuseid. Mõned näited: dominantsed tunnused on kääbuskasv, brahhüdaktüülia (lühikesed sõrmed), Huntingtoni tõbi (neuroloogiline defekt), lokkis juuksed. Retsessiivsed tunnused on albinism (pigmendi puudumine), alkaptonuuria, tsüstiline fibroos, Duchenne lihasdüstroofia, fenüülketonuuria, sirprakne aneemia.

 

Sugupuud on diagrammid, mis näitavad perekonnas olevaid sugulusastmeid. Meessoost indiviide tähistatakse ruutudega ja naissoost indiviide ringidega. Ringi ja ruutu ühendav horisontaalne joon näitab ühist järglaste saamist. Järglased näidatakse pealt ühendatud joonega, esmasündinu on kõige vasakpoolsem. Need indiviidid, kellel avaldub uuritav omadus, näidatakse värvitud või viirutatud sümbolitega. Põlvkonnad on tavaliselt tähistatud rooma numbritega.

 

Tavaliselt avalduvad dominantsed alleelid ka järgmistes põlvkondades. Dominantne alleel võib ilmuda perekonda ka mutatsiooni tagajärjel, kuid selle sündmuse tõenäosus on väga harv – üks miljonist. Need dominantsed tunnused, mis vähendavad fertiilsust ja elujõulisust, on populatsioonis väga harvad. Seega on selliseid tunnuseid kandvad inimesed enamasti vastava alleeli suhtes heterosügootsed.     

 

Retsessiivseid tunnuseid on märksa raskem identifitseerida, sest vanematel ei pruugi need avalduda. Siiski on praeguseks kirjeldatud üle 4000 retsessiivse tunnuse. Retsessiivsed tunnused avalduvad sagedamini siis, kui vanemad on omavahel suguluses.

 

Mendeli seadusi on võimalik kasutada arvutamaks, millise tõenäosusega sünnib vanematel haige laps. Näiteks on mõlemad vanemad heterosügootsed retsessiivse alleeli suhtes, mis põhjustab tsüstilist fibroosi. Kui perekonda sünnib 4 last, on võimalikud 5 erinevat varianti: kõik lapsed on normaalsed, 1 on haige, 2 on haiged, 3 last 4-st on haiged ning kõik lapsed on haiged. Loogiline oleks arvata, et kõige tõenäolisemalt realiseerub variant 3 normaalset ja 1 haige laps. Konkreetse sünni puhul on ¾ tõenäosusega laps normaalne. Tõenäosus, et kõik lapsed oleksid normaalsed, on seega ¾ x ¾ x ¾ x ¾ = (¾)⁴ = 81/256. Võimalus, et 1 konkreetne laps sünnib haigena, on ¼. Seega tõenäosus, et kõik lapsed sünniksid tsüstilise fibroosiga, on (¼)⁴ = 1/256. Tõenäosus, et 3 last on normaalsed ja 1 haige, arvutatakse järgmiselt. Sõltuvalt haige lapse sünnijärjekorrast on 4 erinevat võimalust: NNNA, NNAN, NANN, ANNN, kus N = normaalne, A = haige. Iga võimalus realiseerub tõenäosusega (3/4)³ x ¼. Tõenäosus, et 1 laps 4-st sünnib haigena hoolimata laste sünnijärjekorrast on 4 korda suurem, 4 x  (3/4)³ x ¼. Tõenäosus, et 2 lastest sünnivad tervena ja 2 haigusega, on 6 x (3/4)² x (1/4)², sest sel juhul on laste sünnijärjekorda arvestades 6 erinevat võimalust.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Mendelismi edasiarendus

 

Alleelne varieeruvus ja geeni funktsioon

 

Mendeli õpetuse järgi on igal konkreetsel geenil 2 alleeli – üks dominantne ja teine retsessiivne. Edasised uuringud on aga näitasid, et geenil võib olla rohkem kui 2 alternatiivset varianti, alleeli, ning iga alleel mõjutab fenotüüpi erinevalt.

 

Semidominantsus ja kodominantsus

 

Alleel on dominantne siis, kui tal on samasugune fenotüübiline efekt nii homosügoodis kui ka heterosügoodis, st. Aa ja AA on fenotüübiliselt eristamatud. Mõnel juhul on heterosügootide fenotüüp homosügootide fenotüübist erinev. Näiteks lõvilõua õied on valged, kui taim on homosügootne retsessiivse alleeli suhtes (ww) ja punased, kui taim on homosügootne dominantse alleeli suhtes (WW). Heterosügootsed taimed (Ww) on aga roosade õitega. Alleel W annab õitele punase värvuse, alleeli w puhul aga pigmenti ei toodeta. Pigmendi intensiivsus õie kroonlehtedes sõltub geeni doosist: homosügoodis WW on geeni produkti (punast pigmenti) 2 korda enam kui heterosügoodis Ww. Sellest ka roosad õied. Osaliselt dominantset alleeli, mis avaldub heterosügootides nõrgemini, nimetatakse ka semidominantseks alleeliks.

 

Inimese vererakud võivad toota 2 erinevat produkti – N ja M antigeeni. Neid antigeene toodavad sama geeni 2 alleelset varianti. Alleeli M suhtes homosügoodid toodavad ainult M antigeeni, alleeli N suhtes homosügoodid aga ainult N antigeeni. Heterosügootides üks alleel teist maha ei suru, vaid avalduvad mõlemad ning seetõttu on verest testitavad nii M kui ka N antigeen. Sel juhul on alleelid kodominantsed. Kuna kodominantsuse puhul avalduvad alleelid teineteisest sõltumatult, märgitakse mõlemad alleelid suurte tähtedega ja üleval indeksina. Seega on M ja N alleelide tähistused L^M ja L^N. Täht L tuleneb konkreetsel juhul erinevate veretühmade avastaja Karl Landsteineri nimest.

 

 

 

Mitmealleelsus

 

Klassikaline näide mitmealleelsusest esineb küülikute karvavärvust määrava geeni c puhul. Sellel geenil on 4 erinevat alleeli: c – albiino (c tuleneb inglisekeelsest sõnast “colorness”, värvusetu), c^h – himaalaja, c^ch – chinchilla ja c⁺ – metsiktüüp. Homosügootses olekus on igal alleelil kindel toime karva värvusele. Cc küülikud on üleni valge karvaga, c^hc^h küülikud on valged mustade kõrvade, käppade ja ninaotsaga, c^ch c^ch küülikud on valgete karvadega, millel on mustad otsad ja c⁺ c⁺ küülikud on tumedakarvalised. Kuna enamus looduslikus populatsioonis elavaid küülikuid on tumedakarvalised, siis kutsutakse c⁺ alleeli metsiktüüpi alleeliks. + märk on geneetikutel metsiktüübi tähiseks. Geenid nimetatakse sageli mutantse alleeli järgi ja enamasti just selle alleeli järgi, mille efekt on kõige markantsem (antud juhul valge karvavärvus).

 

Mitmealleelsusega on seotud ka inimese AB0 vererühmade süsteem. Geenil, mis produtseerib kas A või B antigeeni, on 3 alleelset vormi: I^A, I^B ja I⁰. I^A kodeerib A antigeeni, I^B kodeerib B antigeeni ja I⁰ alleel ei määra midagi. 6 võimalikule genotüübile vastavad 4 fenotüüpi: A veregrupile (I^AI^A või I^AI⁰), B veregrupile (I^BI^B või I^BI⁰), AB veregrupile (I^AI^B) ja 0 veregrupile (I⁰I⁰). Alleelid I^A ja I^B on kodominantsed, kuid  I⁰ on mõlema suhtes retsessivne. Kuna kõik geeni I 3 erinevat alleeli esinevad arvetatava sagedusega inimpopulatsioonis, nimetatakse seda geeni polümorfseks (kreekakeelsest sõnast, mis tähendab “omab palju vorme”).

 

Alleelide seeriad

 

Erinevate alleelide kombineerumisel võivad alleelid omada erinevat efekti sõltuvalt sellest, milline alleel millisega on kombineerunud. Küüliku karvavärvust määravate alleelide vahel valitseb domineerumises hierarhia c⁺ > c^ch > c^h > c. Lahtiseletatult tähendab see seda, et metsiktüüpi alleel on täielikult funktsionaalne, chinchilla ja himaalaja alleelid võimaldavad produtseerida pigmenti vaid osaliselt ning albiino üldsegi mitte. Erinevad alleelide kombinatsioonid heterosügootidel viivad erinevatele fenotüüpidele. Kõik metsiktüüpi alleeli omavad isendid on fenotüübilt tumedakarvalised, c^chc heterosügoot hele chinchilla, c^chc^h alleelidega küülik hele chinchilla mustade kõrvade, käppade ja ninaga ning c^hc heterosügoot on fenotüübilt himaalaja. Alleelide seeriates nimetatakse mittefunktsionaalseid alleele null või amorfseteks alleelideks. Osaliselt funktsionaalsed alleelid on hüpomorfsed, nad on retsessiivsed nende alleelide suhtes, mille funktsioon neid varjutab (tavaliselt metsiktüüpi alleel).

 

Mutatsioonide testimine alleelsuse määramiseks

 

Seda, kas mutantne fenotüüp on põhjustatud sama geeni alleelse teisendi poolt või mitte, saab testida näiteks testertüvega ristamise teel. Sellist analüüsi saab läbi viia retsessiivsete mutatsioonide uurimiseks. Ristamisse võetav testertüvi on homosügootne teatava geeni retsessiivse alleeli suhtes. Juhul, kui ka järglaskonnal avaldub mutantne fenotüüp, on mutantne alleel sama geeni variant, mille alleel testertüvel retsessiivne on. Näiteks äädikakärbsel Drosophila melanogaster on kirjeldatud 2 retsessiivset mutatsiooni – cinnabar ja scarlet, mis mõlemad põhjustavad kärbestel erepunast silmavärvi. Metsiktüüpi kärbestel on tumedad silmad. Selleks, et teha kindlaks, kas cinnabar ja scarlet mutatsioonid on toimunud samas geenis, st., kas tegemist on mutantsete alleelidega, ristati mutantseid kärbseid omavahel. Kuna järglased olid fenotüübilt metsiktüüp, olid mutatsioonid toimunud erinevates geenides, ristamise käigus toimus komplementatsioon mutantsete geenide suhtes. Kui testiti kolmandat mutatsiooni cinnabar-2, ristates mutantseid kärbseid cinnabar ja scarlet mutantidega, saadi mutantsed järglased cinnabar kärbestega ristates ja metsiktüüpi järglased scarlet mutatsiooni kandvate kärbestega ristates. Need tulemused näitavad, et cinnabar-2 ja cinnabar on ühe ja sama geeni alleelid. 

 

Sel viisil ei saa testida dominantseid mutatsioone, sest dominantne alleel avaldub nii või teisiti, hoolimata sellest, millist mutatsiooni kannab ristamisse võetav testertüvi.

 

Mutatsioonide toime organismile võib olla erinev

 

Mutatsioonid, mis muudavad mõnda morfoloogilist tunnust, näiteks seemnete värvust või tekstuuri, on nähtavad mutatsioonid. Enamus neist on retsessiivse toimega.

 

Mutatsioone, mis takistavad organismi reproduktsioonivõimet, nimetatakse steriilseteks mutatsioonideks. Mõned steriilsed mutatsioonid mõjutavad mõlemat sugupoolt, mõned on aga spetsiifilised kindlale soole. Toime soojätkamisele võib olla kas täielikult või ainult osaliselt pärssiv.

 

Mutatsioonid, mis kahjustavad organismi elulisi funktsioone, on letaalsed mutatsioonid. Nende fenotüübiline avaldumine väljendub organismi surmas ning seda enamasti juba looteeas. Enamus geene võivad muteeruda nii, et selle toime on organismi seisukohalt letaalne. Dominantsed letaalsed mutatsioonid kõrvalduvad ühe põlvkonna vältel, sest kõik järglased surevad. Retsessiivsed mutatsioonid võivad püsida populatsioonis kaua, kuna heterosügootides on nad varjutatud metsiktüüpi alleelide poolt. Retsessiivseid letaalseid mutatsioone on võimalik tuvastada siis, kui järglaskonnas toimub fenotüüpide osas ebatavaline lahknemine. Näiteks mutatsioon yellow-lethal (kollane-letaalne) Y^l on hiirtel dominantne nähtav, kuna seda alleeli kandvatel hiirtel on karv hallikaspruuni asemel kollane. Samas on ta ka retsessiivne letaalne, kuna kahte seda alleeli kandvad järglased surevad juba embrüostaadiumis. Kuna värvuse seisukohalt on mutatsiooniga alleel dominantne, võiks heterosügootide ristamisel oodata järglaskonnas lahknemist suhtega 3 kollast:1 hallikaspruun. Tegelikult on see suhe aga 2:1, sest Y^lY^l homosügoote ei sünni.

 

Geeni produkt on polüpeptiid

 

Polüpeptiidid on makromolekulid, mis koosnevad aminohapetest. Igas organismis sünteesitakse tuhandeid erinevaid polüpeptiide, mis erinevad üksteisest aminohappeliselt järjestuselt. Polüpeptiidid on aluseks valkudele. Valke, mis katalüüsivad biokeemilisi reaktsioone, nimetatakse ensüümideks. Osa valke on raku struktuurseteks komponentideks, samuti on transpordifunktsioonidega valke. Beadle ja Tatum  postuleerisid, et iga geen vastutab konkreetse polüpeptiidi sünteesi eest. Kui geenis on mutatsioon, siis vastavat polüpeptiidi kas ei sünteesita või on sünteesiprodukt muutunud funktsioonidega. Need muutused kajastuvad ka fenotüübilistes muutustes.

 

Mis määrab selle, et osa mutatsioone on dominantsed, osa aga retsessiivsed?

 

Retsessiivsete mutatsioonide tagajärjel kaotab geen oma funktsiooni, mis viib selleni, et vastavat polüpeptiidi enam ei sünteesita või on sünteesitud polüpeptiid mittefunktsionaalne. Seega on retsessiivsete mutatsioonide puhul tegemist funktsiooni kaotanud alleelidega. Dominantse mutatsiooni puhul sünteesitakse aga polüpeptiid, mis käitub võrreldes algse polüpeptiidiga teisiti. Seetõttu nimetatakse dominantseid mutatsioone sisaldavaid alleele neomorfseteks, uue funktsiooni omandanud alleelideks. Dominantsete mutatsioonide näiteks võib tuua mutatsiooni hiire T geenis. Heterosügootses olekus põhjustab see mutatsioon hiire saba lühenemist, homosügootsed järglased hukkuvad aga juba embrüostaadiumis. T geen kodeerib 436 aminohappe pikkust polüpeptiidi, mis on võimeline seonduma DNA-ga ja reguleerima hiire normaalseks arenguks vajalike geenide avaldumist. Mutantse geeni produkt on lühem ja muutunud struktuuriga ning häirib heterosügootides normaalse valgu seondumist DNA-ga, muutes arenevas lootes geenide avaldumise taset. Seetõttu ongi mutantset alleeli kandvad hiired lühema sabaga. Kahte dominantset alleeli kandvates homosügootides on aga paljude arengubioloogiliselt oluliste geenide avaldumine häiritud, mistõttu järglasi ei sünni. Siinkohal tasub siiski märkida, et paljud dominantsed mutatsioonid võivad olla seotud just funktsiooni kadumisega.

 

 

Geenide fenotüübilist avaldumist mõjutavad tegurid

 

Keskkonna mõju geenide avaldumisele

 

Sama geeni erinevate alleelide poolt kodeeritud produktid võivad olla erineva temperatuuritundlikkusega. Näiteks mutatsiooni shibire kandvad äädikakärbsed on elujõulised ja sigimisvõimelised 25°C juures, kuid paralüseeruvad ootamatu shoki, näiteks raputamise tagajärjel (shibire tuleneb jaapanikeelsest sõnast tähendusega “paralüseeruma”). Kui mutantsete kärbeste kultuur viia aga 29°C juurde, paralüseeruvad nad ka ilma raputamata.

 

Keskkonna mõju inimese geenidele

 

Fenüülketonuuria (PKO) on retsessiivne haigus, kus on häiritud aminohapete metabolism. Sellise kahjustusega homosügootsetel lastel puudub fenüülalaniini hüdroksülaas, mis muudab fenüülalaniini türosiiniks. PKO haigetel kogunevad fenüülalaniin ja selle derivaadid organismi ning häirivad närvirakkude arengut, mistõttu sellised lapsed on vaimsete puuetega. Kuna PKO patsientidel on türosiini tase organismis normaalsest madalam, on neil melaniini sünteesitase madalam ning seetõttu ka nõrgem pigmentatsioon. Euroopa rahvastel on keskmiselt üks haigusjuht 10000 sünni kohta. PKO-d saab ravida dieediga, kus fenüülalaniini kogus on võrreldes tavalise toiduga tunduvalt madalam. Kui imikul on tuvastatud PKO ja tema toitmisel peetakse kinni dieedist, kasvab vaimselt normaalne laps.

 

Ka bioloogiline keskkond, näiteks indiviidi sugu, võib mõjutada geenide avaldumistaset. Näiteks kiilaspäisus areneb nii heterosügootsetel kui ka homosügootsetel meestel, homosügootsetel naistel on see tavaliselt seotud aga üksnes juuste hõrenemisega. Vastava alleeli avaldumise käivitab testosteroon, mille kogus mehe organismis on märksa kõrgem.

 

Penetrantsus ja ekspressiivsus

 

Penetrantsus on sagedus protsentides, millega mingi konkreetne genotüüp avaldub selle kandjate fenotüübis. Mittetäieliku penetrantsuse näiteks võib tuua polüdaktüülia, defekti, mille tagajärjel arenevad indiviidil lisasõrmed ja varbad. Kuigi mutatsioon on dominantne, ei avaldu defekt kõigil heterosügootidel. Mittetäielik penetrantsus takistab sugupuude analüüsi. Tavaliselt kasutatakse penetrantsuse mõistet mingi dominantse mutantse alleeli avaldumissageduse hinnanguna heterosügootide hulgas. Penetrantsus sõltub nii indiviidi geneetilisest taustast kui ka elukeskkonnast.

 

Ekspressiivsuse kaudu kirjeldatakse geeni fenotüübilise avaldumise taset. Konkreetne geen võib erinevates indiviidides avalduda erineval tasemel. Enamasti jälgitakse mutantse alleeli avaldumist. Näiteks dominantset lobe mutatsiooni kandvatel äädikakärbestel on silmakuju sagaraline, kuid erinevatel isenditel on sagaralisuse aste erinev. Nii mittetäieliku penetrantsuse kui ka erineva ekspressiivsuse põhjusteks erinevates indiviidides on tunnuste komplekssus, konkreetne fenotüüp on seotud kahe või enama geeni avaldumisega. Ka Hapsburgidele iseloomulik etteulatuv alalõug, mis oli levinud Euroopa kuningakodades, on tunnus, mis avaldub erinevatel indiviididel erineval määral.

 

Geenidevaheline interaktsioon

 

Bateson ja Punnett näitasid katseliselt, kuidas 2 erinevat geeni kontrollivad sama tunnust, näiteks geenid R ja P harjakuju kanadel. Wyandottidel (RR pp) on roosikujuline hari, brahmadel (rr PP) aga hernekujuline. F₁ hübriidsetel tibudel (Rr Pp) on pähklikujuline hari. Kui neid hübriide ristata omavahel, toimub harjakujus lahknemine 9/19 pähklikujulised (R- P-) , 3/16 roosikujulised (R-pp), 3/16 hernekujulised (rr P-) ning 1/16 harilikud (rr pp). Hariliku harjaga leghornid on mõlema retsessiivse alleeli suhtes homosügootsed.

 

Epistaas

 

Epistaas (tuleneb kreekakeelsest sõnast tähendusega “seisab kõrgemal”) on ühe geeni tõkestav, pärssiv või varjutav toime teise geeni avaldumisele. Need geenid, mida allutatakse, on hüpostaatilised.  Näiteks mutatsioon white on epistaatiline mutatsiooni cinnabar suhtes. Kui äädikakärbsed kannavad mõlemat retsessiivset mutatsiooni homosügootses olekus, on nende silmavärvus ikkagi valge. Selgus, et geen white kodeerib polüpeptiidi, mis transpordib pigmendi kärbse silmarakkudesse. Punast pigmenti sünteesitakse teistes kudedes. Kui vastavat transportvalku ei sünteesita, jäävad kärbeste silmad valgeks.   

 

Valgete (CC pp) ja (cc PP) õitega suhkruherneste ristamisel saadi F₁ põlvkonnas purpursete õitega (Cc Pp) järglased, kuid F₂ põlvkonnas toimus lahknemine suhtega 9/16 purpursed ning 7/16 valged. Valged olid kõik need, kus vähemalt üks retsessiivsetest alleelidest oli homosügootses olekus. Selgus, et dominantsed alleelid C ja P kodeerivad erinevaid etappe antotsüaani sünteesiks:

 

Geen                            C                       P

                        Eellane ®  Vaheühend ® Antotsüaan

 

Kui ühte ensüümidest ei produtseerita, on antotsüaani süntees blokeeritud.

 

Kui epistaatilise geeni ainsaks avaldumisviisiks on teise geeni pärssimine, nimetatakse teda inhibiitor- või supressorgeeniks. 

 

 

Pleiotroopsus

 

Pleiotroopne geen mõjutab samaaegselt erinevaid tunnuseid. Ka eelpoolkirjeldatud fenüülketonuuria on pleiotroopsuse näide. Mitme tunnuse üheaegne patogeenne muutus on sündroom. Enamasti on pleiotroopsus tingitud ühe geeniprodukti osalemisest erinevates ainevahetusreaktsioonides või erinevate rakutüüpide vahelises kommunikeerumises ja arenguprotsessides.

 

Pideva fenotüübilise varieeruvuse geneetiline baas

 

Sama liigi piires varieeruvad ulatuslikult sellised tunnused nagu organismide kasv, kaal, mille väärtus on määratud paljude geenide ja keskkonna kombineeritud koostoimega.

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.