Historia odkryć genów i genetyka klasyczna

Historia odkryć genów i genetyka klasyczna




Odkrycie genów
Dziedziczenie cech z pewnością intrygowało naszych przodków już w zamierzchłych czasach. Bogactwo otaczającego ich życia, a więc drzewa rodzące drzewa, ptaki – ptaki i ludzie rodzący nowych ludzi, wszystko to zmuszało ich do zastanawiania się: dlaczego? Dowody ich zdziwienia odnajdujemy dziś w starożytnych mitach. W przeszłości odleglejszej niż mity nasi przodkowie nie tylko dziwili się, ale i eksperymentowali wykorzystując dziedziczenie dla własnych celów. Spadkiem, jaki w efekcie tego otrzymaliśmy, są udomowione rośliny i zwierzęta, które do dziś stanowią dla nas podstawę wyżywienia i wytwarzania odzieży, a także drożdże używane do produkcji chleba, wina i piwa. I w tym dziedzictwie odnajdujemy początki badań (tak, właśnie naukowych badań) w dziedzinie zwanej dzisiaj genetyką.

Z historycznego punktu widzenia, ogromna różnorodność form życia przeszkadzała w odkryciu ogólnych praw biologii, a w szczególności praw dziedziczenia. Niełatwo dostrzec związki łączące drzewo i konia. Wielkie idee dojrzewały powoli, bywało, że o niektórych dobrych pomysłach zapominano, aby odkryć je ponownie setki lat później. W V wieku p.n.e. greccy filozofowie, pomimo silnej presji kulturowej, aby potwierdzić dominację mężczyzn, doszli do wniosku, który dziś wydaje się oczywisty, że obie płcie muszą mieć udział w formowaniu nowego osobnika, ponieważ potomstwo jest podobne do obojga rodziców. Wierzyli również, że ów udział jest rodzajem informacji zebranej z części dojrzałych osobników, by uformować „nasienie” męskie i żeńskie. Demokryt dowodził, że informacja jest przenoszona w postaci cząstek, których kształt, wielkość i wzajemne ułożenie wpływają na cechy potomstwa; jednak nie wszyscy ten pogląd podzielali. Teofrast, uczeń Arystotelesa, jako pierwszy dostrzegł podobieństwa między rozmnażaniem się zwierząt i roślin i zaproponował, by pojęć „męski” i „żeński” („samiec” i „samica”) używać na określenie uczestników rozrodu płciowego.

Poważne badania genetyczne rozpoczęły się w XIX wieku. Badano dziedziczenie zmiennych cech, widocznych na pierwszy rzut oka, na przykład koloru kwiatów groszku czy ludzkich oczu. W wyniku tych badań powstało abstrakcyjne pojęcie niepodzielnego genu jako podstawowej jednostki dziedziczenia. Przypuszczano, że jeden z genów determinuje barwę kwiatu groszku, inny wysokość całej rośliny i tak dalej. Natura genu oraz sposób, w jaki decyduje o określonych cechach, pozostawały całkowicie nie znane.

Badania nad chemiczną istotą genów i mechanizmami rządzącymi dziedziczeniem rozpoczęły się dopiero w połowie XX wieku, kiedy to grzyby, bakterie i wirusy zastąpiły w roli obiektów doświadczalnych rośliny i zwierzęta. To dzięki tym stosunkowo prostym formom życia stwierdzono, że kwas deoksyrybonukleinowy (DNA), kwas rybonukleinowy (RNA) oraz białka to uniwersalne czynniki określające cechy istot żywych. Szybko czyniono wielkie postępy w wyjaśnieniu mechanizmów dziedziczenia u grzybów, bakterii i wirusów, ponieważ cechy biologiczne tych organizmów ułatwiały analizę ich podłoża genetycznego. Wnioskiem płynącym z tych badań była koncepcja genu jako informacji – takiej, która rządzi wzrostem i zachowaniem istot żywych oraz decyduje o ich cechach. Koncepcja ta zakładała zarazem, że wszystkie żywe istoty dysponują mechanizmem rozszyfrowującym albo „odczytującym” informację genetyczną, a geny przechowują stale tę informację, aby rodzice mogli przekazać ją swemu potomstwu.

Ponieważ metody analityczne umożliwiające badania bardziej złożonych organizmów wówczas jeszcze nie były dostępne, wniosków tych nie dawało się uogólnić, by odnieść je także do zwierząt i roślin. Dopiero na początku lat siedemdziesiątych rewolucyjny rozwój nowych metod badawczych przełamał bariery techniczne i pojęciowe utrudniające poznanie złożonych systemów genetycznych. Tym samym nasze spojrzenie na strukturę, organizację i funkcję genów uległo gruntownej przebudowie. To nowe spojrzenie radykalnie zmieniło rozległe obszary biologii. Żeby ocenić postęp, jaki się już dokonał, warto prześledzić od początku rozwój i kolejne rewizje fundamentalnych koncepcji dziedziczenia.







Komórki

Na początku XIX wieku, dzięki udoskonaleniu mikroskopów pojęcie komórki stało się podstawą jednego z najważniejszych uniwersalnych praw dotyczących istot żywych. Wszystkie organizmy żyją albo jako pojedyncze komórki, mnożące się niezależnie w swoim środowisku, albo jako spójne zbiorowiska komórek. Bakterie to pojedyncze komórki i podczas wzrostu w zasadzie każda komórka może funkcjonować niezależnie od innych. Natomiast rośliny i zwierzęta, jako organizmy złożone, zbudowane są z tysięcy, milionów, miliardów lub bilionów komórek o rozmaitych rozmiarach i kształtach. W takich organizmach odmienne typy komórek pełnią odmienne funkcje. Często komórki określonego rodzaju łączą się w bardziej złożone struktury, takie jak tkanki, które z kolei tworzą wątrobę, mózg albo liść. Tkanki pełnią specyficzne funkcje, określone właściwościami komórek wchodzących w ich skład. Jednym z ważniejszych osiągnięć biologii XIX wieku było wykazanie, że nowe komórki powstają jedynie przez podział komórek już istniejących.

Niektóre komórki, na przykład ikra ryb lub żabi skrzek, są dość duże, ale większość można oglądać tylko pod mikroskopem. Rozwój optyki mikroskopowej i nowe metody barwienia materiałów biologicznych umożliwiły bardziej szczegółowy opis komórek i ich wnętrza. Chociaż komórki bardzo różnią się kształtem, każdą z nich można traktować jako określony zestaw cząsteczek biologicznych wewnątrz woreczka zamkniętego warstewką białkowo-lipidową zwaną błoną komórkową. Materiał wewnątrz komórki, czyli cytoplazma zawiera wiele odrębnych i łatwo odróżnialnych struktur. Każda z tych struktur jest związana z określonymi procesami komórkowymi. W komórkach zwierzęcych i roślinnych mitochondria odpowiadają za produkcję energii potrzebnej do reakcji chemicznych, ruchu i wzrostu, siateczka śródplazmatyczna i aparat Golgiego transportują cząsteczki z jednego miejsca do drugiego wewnątrz komórki lub wydzielają je do jej otoczenia. Wysoko wyspecjalizowane komórki mają charakterystyczne struktury przeznaczone do pełnienia specjalistycznych funkcji. Dobrym przykładem takich struktur są chloroplasty występujące w komórkach roślin zielonych. Są to organelle (dosłownie: małe narządy), w których energia słoneczna jest przekształcana w energię chemiczną, wykorzystywaną przez rośliny i w końcu przez żywiące się nimi zwierzęta. Oprócz wielu elementów strukturalnych komórka zawiera wodę, w której rozpuszczone są różnorakie cząsteczki: od prostych soli po złożone cukrowce i białka. Najbardziej widoczną i zazwyczaj największą strukturą wewnątrz komórek zwierzęcych i roślinnych jest jądro komórkowe, które także wyglądem przypomina woreczek. Największymi
strukturami widocznymi w jego wnętrzu są jąderka.




Zdjęcia i przekroje typowej komórki zwierzęcej i roślinnej













Obecnie w zależności od tego, czy komórki zawierają jądra komórkowe, czy nie, organizmy żywe dzielimy na dwie grupy. Organizmy wielokomórkowe, których komórki zawierają jądra, takie jak rośliny i zwierzęta, a także niektóre organizmy jednokomórkowe, jak drożdże i pierwotniaki, są nazywane eukariontami (Eukaryota).
Druga grupa to te, które nie mają jąder, czyli prokarionty (Prokaryota); należą do niej jedynie jednokomórkowe bakterie. (Nazwy te pochodzą od greckiego słowa karyon – co oznacza jądro, przedrostek pro- znaczy przed, zaś eu- dobry, właściwy. Zatem komórki organizmów eukariotycznych zawierają „właściwe” jądra, a prokariotycznych – nie). Komórki organizmów eukariotycznych są większe i bardziej złożone niż prokariotycznych i z zasady zawierają więcej informacji genetycznej. Co więcej, eukarionty są zdolne do rozmnażania płciowego i dla wielu z nich jest to jedyny sposób wydania potomstwa. Wirusy, mające swoje własne geny, nie są komórkami, nie mogą więc powielać się niezależnie. Aby się powielić, muszą wniknąć do żywych komórek, w których ich geny produkują nowe wirusy, w rezultacie czego zainfekowane komórki często giną.
Zdjęcia i przekrój typowej komórki bakteryjnej


Po sformułowaniu teorii komórkowej podjęto trzy kierunki badań istot żywych: analizę statystyczną dziedziczenia się pojedynczych cech, badania struktury i własności chromosomów oraz badania związków chemicznych wchodzących w skład jądra i cytoplazmy. Te trzy rozwijające się równolegle nurty legły u podstaw ważnych i niezależnych dyscyplin naukowych, zanim w połowie obecnego stulecia połączyły się w jedną – genetykę.












Chromosomy


Na początku XIX wieku biolodzy zauważyli wewnątrz jąder komórek roślin i zwierząt małe struktury. Nazwali je chromosomami (od greckiego chromo – barwa i soma – ciało), ponieważ struktury te szczególnie dobrze barwiły się pewnymi substancjami stosowanymi podczas przygotowywania komórek do badań mikroskopowych. W drugiej połowie XIX wieku biolodzy szczegółowo poznali kształt i zachowanie chromosomów.
Okazało się, że wszystkie komórki (z wyjątkiem komórek jajowych i plemników) organizmu danego gatunku eukariotycznego zawierają zawsze taką samą, charakterystyczną liczbę chromosomów. Na przykład, pewien gatunek muszki owocowej ma osiem chromosomów, podczas gdy ludzie i nietoperze – po 46, kukurydza – 20, a nosorożec – 84. Dzieje się tak, mimo że poszczególne komórki różnią się całkowicie budową i funkcją. Obok przedstawione są chromosomy ludzkie widziane pod mikroskopem świetlnym i elektronowym. Chromosomy można pogrupować w pary ze względu na podobny kształt: cztery pary u muszki owocowej, 23 pary u ludzi i tak dalej. Dwa podobne składniki pary określa się mianem homologicznych względem siebie.


Ludzkie chromosomy






Badania mikroskopowe chromosomów w martwych wybarwionych komórkach dają statyczny obraz ich zachowania. Można było jednak ułożyć takie obrazy w sekwencję zdarzeń, poczynając od formowania dwóch nowych komórek dzięki podziałowi starej, a kończąc na podziale tych dwóch na cztery następne. Oglądane w kolejności obrazy pokazują, jak w czasie gdy komórka przygotowuje się do podziału, zmieniają się chromosomy, podobnie jak kolejne ilustracje w książce przy przewracaniu stron przedstawiają przebieg akcji. Stało się jasne, że podczas podziału komórkowego tworzy się duplikat każdego chromosomu, co daje w rezultacie podwojenie ich liczby. Podczas podziału podwojony zestaw chromosomów rozdziela się tak, że każda z dwóch komórek potomnych uzyskuje tę samą ich liczbę, jaką miała komórka rodzicielska. Cały proces podziału chromosomowego nazywany jest mitozą. W czasie mitozy chromosomy są silnie skondensowane i tworzą odrębne struktury. Charakterystyczne kształty i rozmiary chromosomów mitotycznych pozwalają na identyfikację par homologicznych. Chromosomy, które zazwyczaj widzi się pod mikroskopem i przedstawia na rysunkach i fotografiach, są w trakcie mitozy.1 Ilustracje przedstawiają zwykle dwie kopie zduplikowanego chromosomu, ciągle jeszcze połączone ze sobą (jak na rycinie powyżej).

Najpierw wszystkie chromosomy ustawiają się w płaszczyźnie równikowej komórki i dzielą się na dwie grupy, które przesuwają się do przeciwległych biegunów komórki. Gdy błona komórkowa rozrasta się i oddziela oba bieguny komórki wyjściowej, tworzą się dwie komórki. Każda nowa komórka (określana jako komórka potomna) zawiera pełny zestaw par chromosomów.

Wydarzenia następujące od początku jednego podziału komórkowego do następnego określa się mianem cyklu komórkowego. Po rozdzieleniu się komórek każda z komórek potomnych tworzy substancje chemiczne charakterystyczne dla komórek w stadium wzrostu. Po tym okresie wzmożonej aktywności metabolicznej następuje podwojenie chromosomów. Po zakończeniu procesu podwajania chromosomów rozpoczyna się mitoza. Gdy mitoza kończy się, dwie komórki potomne rozdzielają się i cykl rozpoczyna się od nowa. Całkowity czas pełnego cyklu waha się od minut do dni, w zależności od typu komórki oraz warunków wzrostu. Z zasady czas, w którym zachodzi mitoza i rozdzielenie komórek, stanowi około 10 procent całego cyklu. Przez większą część cyklu chromosomy są trudno dostrzegalne, ponieważ pozostają w formie rozplecionej. Nazywa się je wówczas chromatyną.

Aby analiza struktury chromosomów powiodła się, trzeba wybrać odpowiedni organizm doświadczalny. Na początku ulubionym układem eksperymentalnym badaczy były bardzo grube pary chromosomów z gruczołów śliniankowych muszki owocowej; z systematyczną analizą chromosomów ludzkich i innych małych chromosomów ssaków trzeba było czekać aż do drugiej połowy naszego stulecia. Nawet obecnie małe i rozmyte chromosomy takich prostych eukariontów jak drożdże i pierwotniaki wymykają się analizie pod mikroskopem świetlnym.



Dziedziczenie pojedynczych cech
Koncepcja genu narodziła się dzięki pracom Grzegorza Mendla w latach sześćdziesiątych XIX wieku, choć sam termin powstał dopiero po powtórzeniu i uzupełnieniu jego odkryć na początku naszego stulecia. Słowo „gen” wprowadzono w 1910 roku na określenie abstrakcyjnej jednostki dziedziczenia, odpowiedzialnej za jakąś cechę danego gatunku. Prowadzona przez wiele pokoleń analiza statystyczna dziedziczenia się prostych cech w populacjach potwierdziła koncepcję genu. Mendel badał długość pędów, kolor kwiatów oraz kolor i kształt nasion groszku pachnącego. Tak więc kolor kwiatów lub nasion rozumiano jako rozróżnialne, dziedziczne cechy, nie znając procesów chemicznych i nie wiedząc nic o sposobie, w jaki geny determinują kolor. Należy podkreślić, że koncepcja Mendla i jego następców jest całkowicie zgodna z dzisiejszym rozumieniem chemicznej struktur

Mendlowskie postrzeganie dziedziczenia u eukariontów wynikało z istnienia różnych odmian rozpoznawalnych cech. Na przykład, Mendel rozumiał, że czynnik określający kolor groszku może występować w różnych wersjach. W jednej wersji powoduje on powstawanie zielonych nasion, w innej – nasion żółtych. Podobnie z powierzchnią nasion – gładką lub pomarszczoną – która również zależy od stanu czynnika wyznaczającego tę cechę. Teraz, gdy wiemy, że to geny wyznaczają cechy, określamy różne wersje jednego genu jako allele. y genu i sposobu, w jaki określa ona cechy organizmu.

Mendel zauważył, że każdy organizm ma dwa allele dla każdej pojedynczej dziedziczonej cechy – po jednym od każdego rodzica. W każdym pokoleniu dwa allele jednego genu są rozdzielane (segregowane niezależnie) podczas powstawania nowych komórek rozrodczych. W każdej haploidalnej komórce rozrodczej jest tylko jeden element wyjściowej pary, jeden allel. W wyniku zapłodnienia powstaje nowa kombinacja alleli. Dwa elementy z pary mogą być takie same – wtedy osobnik jest nazywany homozygotycznym pod względem tej pary alleli. I odwrotnie, osobnik może otrzymać różne allele od obojga rodziców i wtedy jest heterozygotyczny. Można to wyrazić za pomocą symboli. Jeśli nazwiemy różne allele wyznaczające kolor nasion cg i cy (od angielskich słów g – green, czyli zielony i y – yellow, czyli żółty), to osobniki mogą mieć następujące pary: cg cg homozygotyczny; cy cy homozygotyczny; cg cy heterozygotyczny. Komórka rozrodcza będzie miała allel albo cg, albo cy.

Mendel stwierdził również, że pary alleli dla różnych cech są przekazywane niezależnie do komórek rozrodczych. Na przykład, roślina groszku zawierająca alleliczne pary cg cy dla koloru nasion oraz tw i ts dla rodzaju powierzchni nasion (w – nasiona pomarszczone, ang.: wrinkled; s – gładkie, ang.: smooth) utworzy komórki rozrodcze, które mogą zawierać każdą z następujących kombinacji: cg tw, cg ts, cy tw albo cy ts. Tak więc podczas powstawania komórek rozrodczych allele wyznaczające kolor: cg i cy są przekazywane niezależnie od alleli rodzaju powierzchni tw i ts.







Geny i chromosomy

Między zachowaniem chromosomów podczas mejozy i zapłodnienia a czysto abstrakcyjnymi koncepcjami Mendla zachodzi uderzające podobieństwo. W trakcie mejozy pary chromosomów homologicznych rozdzielają się pomiędzy potomne komórki rozrodcze. Zapłodnienie prowadzi do ustanowienia nowych par chromosomów. Podobnie w koncepcji Mendla: elementy par alleli są rozdzielane (segregowane) do poszczególnych komórek rozrodczych, co sprawia, że po zapłodnieniu pojawiają się nowe pary alleli.

Założono – co może dziś wydawać się oczywiste, kilkadziesiąt lat temu jednak wcale takie nie było – że każdy allel z danej pary znajduje się na jednym z dwóch chromosomów homologicznych. Koncepcję taką przedstawił na początku XX wieku T. H. Morgan i jego współpracownicy z Uniwersytetu Columbia. Pomysł tej fundamentalnej zależności pojawił się dzięki użyciu jako obiektu doświadczalnego muszki owocowej. Muszki rozmnażają się szybko, czas generacji (od narodzin do wydania potomstwa) wynosi około dwóch tygodni. Każda samica składa blisko 1000 jaj, liczba potomstwa po każdej krzyżówce jest więc ogromna. Ponieważ eksperymenty z krzyżowaniem muszek można powtarzać wielokrotnie, analiza genetyczna jest wygodna, stosunkowo szybka i dokładna. Co więcej, dzięki dużej liczbie potomstwa można wykryć mutacje (czyli nagłe pojawienie się nowego allelu), które zachodzą rzadko. Dla porównania, Mendel w swoich badaniach musiał zadowolić się jedną nową generacją rocznie i zaledwie kilkoma osobnikami potomnymi z każdej krzyżówki. Do sukcesu Morgana i jego uczniów przyczynił się również fakt, iż chromosomy muszki owocowej z pewnych komórek można łatwo obserwować już pod mikroskopem świetlnym przy stukrotnym powiększeniu. Po raz pierwszy abstrakcyjną analizę genetyczną połączono wówczas z badaniem rzeczywistej struktury chromosomów.

Eksperymenty Morgana wykazały, że dziedziczeniu się allelu determinującego biały kolor oczu (muszki zazwyczaj mają oczy czerwone) zawsze towarzyszy dziedziczenie się chromosomu X, nigdy zaś Y. Allel określający biały kolor oczu jest więc położony na chromosomie X. Odkryto również inne allele dla innych cech, leżące na tym chromosomie. Okazało się, że istnieją też inne allele dziedziczone jednocześnie, grupowo, nie mające żadnego związku z tym chromosomem. W kolejnych badaniach stało się jasne, że liczba grup alleli dziedziczonych wspólnie odpowiada liczbie par chromosomów. Wskazywało to, że pojedynczy chromosom zawiera wiele genów.

Mogłoby się wydawać, że wyniki te są sprzeczne z twierdzeniami Mendla, że allele dla różnych cech segregowane są niezależnie. Na szczęście dla Mendla, badał on allele położone na różnych chromosomach, inaczej nie mógłby zauważyć faktów prowadzących do tak ważkich spostrzeżeń. W rzeczywistości Morgan nie tylko nie zaprzeczył odkryciom Mendla, ale wręcz pogłębił jego wnioski. Allele położone na różnych chromosomach są segregowane niezależnie (co zauważył Mendel), ale jeśli leżą na tym samym chromosomie – dziedziczone są wspólnie.

Prawie zaraz po powstaniu hipotezy o chromosomach jako o ugrupowaniach genów pojawiały się zaskakujące wyjątki. Rozważmy dla przykładu dwie nie związane ze sobą, hipotetyczne cechy: a i b. Każda z nich ma dwa allele: a1 i a2 oraz b1 i b2. Jeśli a1 i b1 są zlokalizowane na jednym chromosomie, to są wspólnie przekazywane potomstwu. Czasami jednak pojawia się u potomstwa nowe ugrupowanie, na przykład a1 i b2 lub a2 i b1 i jest dziedziczone łącznie w kolejnych pokoleniach.


Zaobserwowano, że w trakcie mejozy chromosomy homologiczne pozostają w bezpośrednim kontakcie (co pokazano na rycinie obok w przypadku konika polnego). Homologiczne pary już podwojonych chromosomów połączone są ze sobą w wielu miejscach. Morgan wysunął przypuszczenie, że w tym czasie między chromosomami homologicznymi dochodzi do wymiany fragmentów. W ten sposób tworzą się nowe kombinacje alleli. Proces ten nazwano rekombinacją homologiczną lub z angielska: crossing-over. Na rycinie obok, w prawym górnym rogu, pokazano dwa, oznaczone różnymi kolorami, chromosomy homologiczne. Chromosomy są już podwojone, a ich ramiona leżą wzdłuż siebie dzięki połączeniu w obrębie centromeru. Na diagramie środkowym ramiona jednego z chromosomów krzyżują się z ramionami drugiego. Dolny rysunek ukazuje chromosomy po rekombinacji jednego z ich ramion, gdy się już rozchodzą. W ten sposób powstają nowe kombinacje alleli, dla cech zaznaczonych różnymi figurami geometrycznymi.
Chromosomy konika polnego podczas mejozy



Zjawisko rekombinacji, pomimo kompletnej nieznajomości jego chemicznych podstaw, szybko stało się ważnym narzędziem badań genetycznych. Zaczęto mierzyć częstość rekombinacji (wymiany) między poszczególnymi parami alleli. Udało się ustalić kilka praw: 1. geny są liniowo ułożone na chromosomie, a więc różne allele tego samego genu zajmują zazwyczaj tę samą względną pozycję na tym samym chromosomie; 2. rekombinacja zachodzi między chromosomami homologicznymi; 3. częstość rekombinacji alleli dwóch różnych genów jest proporcjonalna do fizycznej odległości na chromosomie (im dalej od siebie leżą, tym częściej rekombinują). Podążając za tymi koncepcjami, Morgan i jego współpracownicy mogli już ustalić położenie różnych genów wzdłuż chromosomu. W ciągu 1922 roku określili położenie kilkuset genów na czterech chromosomach muszki owocowej. Była to pierwsza udana próba sporządzenia mapy genetycznej żywego organizmu.


Geny i białka

Co to znaczy, że gen określa cechę, albo jego allel odmianę, w jakiej cecha ta występuje? By odtworzyć przebieg wydarzeń, które doprowadziły do odpowiedzi na to pytanie, musimy wrócić do XIX wieku. Jednym z największych osiągnięć nauki tego okresu było uznanie komórek, a więc i całych organizmów, za złożone układy chemiczne. Stosując analizę chemiczną ustalono skład komórek, co pozwoliło badać zachodzące w ich wnętrzu reakcje, takie jak wykorzystywanie pokarmu, czyli przetwarzanie pobranej energii w formę, która może być spożytkowana dla wzrostu i funkcjonowania komórek, oraz określać wzajemne oddziaływania między komórkami prowadzące do powstania funkcjonalnej tkanki.
Dwa spośród licznych w XIX w. odkryć w nowej dziedzinie – biochemii, były szczególnie znaczące. Po pierwsze, cząsteczki zawarte we wnętrzu komórek były ogromne w porównaniu ze związkami takimi jak woda czy cukry proste. Jako pierwsze spośród biologicznych makrocząsteczek opisano białka. Wykazano, że są one zbudowane głównie z węgla, azotu, tlenu i wodoru. Dzisiaj wiemy, że białka są długimi łańcuchami złożonymi z dwudziestu rodzajów małych cząsteczek: aminokwasów. Drugą niespodzianką było odkrycie, że jeśli uwolni się zawartość komórki (np. przez rozcieranie), po czym zawiesi ją w wodzie, to w takim roztworze ciągle zachodzą reakcje, o których myślano najpierw, że są typowe tylko dla nietkniętego organizmu żywego. Pierwszymi opisanymi przykładami takich reakcji była przemiana skrobi w cukier przez ekstrakt z zarodków jęczmienia oraz rozkład skoagulowanego białka kurzego jaja przez wodny roztwór homogenatu wyściółki żołądka zwierząt.

Dziewiętnastowieczni chemicy szybko dostrzegli podobieństwa między reakcjami zachodzącymi w ekstraktach biologicznych i dopiero co wówczas odkrytym zjawiskiem katalizy. Katalizą określano proces przyspieszania reakcji chemicznej (do kilku tysięcy razy) przez pewną dodatkową substancję (katalizator), która nie ulega w trakcie reakcji zużyciu. Wyciągnięto więc wniosek, że komórki zawierają biologiczne katalizatory – enzymy. Sądzono, że enzymy są białkami. Przypuszczenia te zostały potwierdzone w 1935 roku przez J. H. Northropa z Instytutu Nauk Medycznych im. Rockefellera w Nowym Jorku. Northrop wykazał, że oczyszczone białko pochodzące z wyściółki żołądka bydła domowego jest identyczne z enzymem trawiennym – pepsyną.

Pierwsze sugestie co do sposobu, w jaki działają geny, pochodziły z badań nad enzymami i pojawiły się, zanim jeszcze wymyślono słowo „gen”. W pierwszej dekadzie XX wieku angielski lekarz Archibald Garrod zauważył, że pewne cechy i choroby ludzi dziedziczą się zgodnie z prawami Mendla. Nawet bez doświadczalnych dowodów obserwacja ta spotkała się z dużym zainteresowaniem. Odnosząc wyniki doświadczeń genetycznych nad roślinami i muszkami owocowymi do biologii człowieka, Garrod odwoływał się do jedności natury. Podejrzewał, że dziedziczone cechy wynikają z niedoboru lub braku pewnych enzymów potrzebnych dla normalnych procesów chemicznych w komórce. Sądził, że determinanty dziedziczności kontrolują produkcję enzymów. Wobec tego zdolność organizmu do wytwarzania enzymów byłaby uwarunkowana przez jego geny. Mówiąc ściślej, Garrod przypuszczał, że wydajność enzymu zależy od stanu tego genu, który decyduje o jego produkcji.



Sprawdzenie koncepcji Garroda wymagało zastosowania nowych metod doświadczalnych. Metody takie pojawiły się pod koniec lat trzydziestych wraz z wykorzystaniem do badań laboratoryjnych jednokomórkowych organizmów. Początkowo zwrócono uwagę na proste grzyby. Rosną one bardzo szybko w płynnej pożywce o prostym, choć określonym składzie. Rozmnażają się również bardzo szybko, dając wiele pokoleń w ciągu kilku dni. Taki układ pozwalał biologom badać nie tylko takie widoczne na pierwszy rzut oka cechy jak barwa, ale też dziedziczne cechy metaboliczne – np. to, czy hodowane komórki muszą otrzymać daną substancję w pożywce, czy też mogą wytworzyć ją same. Do połowy lat czterdziestych zgromadzono i porównano wystarczająco dużo danych genetycznych i biochemicznych, by stwierdzić, że obecność lub brak określonego enzymu jest cechą dziedziczną, determinowaną przez pojedynczy gen. George Beadle i Edward Tatum, profesorowie z Uniwersytetu Stanforda w Kalifornii, uogólnili zależność między genem a enzymem do twierdzenia: „jeden gen – jeden enzym”. Ponieważ wiadomo było, że enzymy są białkami oraz że niektóre geny kodują białka nieenzymatyczne (np. białka strukturalne układu mięśniowego, kostnego lub hormony – jak insulina), hasło to rozwinięto do postaci: „jeden gen – jedno białko”. Jednak nawet takie określenie zależności między genem a białkiem jest nietrafne. Co więcej, istnieją geny kierujące powstawaniem cząsteczek, które wcale nie są białkami.

Wzajemna zależność informacyjna wiąże dwa składniki: białko oraz gen, który je określa. To białka nadają komórkom i organizmowi charakterystyczny kształt oraz własności fizyczne, chemiczne i behawioralne. Cechy te są zazwyczaj wynikiem wzajemnej gry między genami organizmu a środowiskiem, w którym się on znajduje.

W latach pięćdziesiątych wprowadzono do laboratoriów nowy, jeszcze bardziej atrakcyjny organizm modelowy umożliwiający badanie zależności między genami a funkcjami biologicznymi. Jest nią pospolita bakteria jelitowa o prostych wymaganiach pokarmowych – Escherichia coli (w skrócie E. coli). Komórka ta podwaja swój pojedynczy chromosom i dzieli się w ciągu od 20 do 60 minut w zależności od warunków środowiska. Można więc uzyskać dużą liczbę komórek bakteryjnych (miliard na mililitr zawiesiny hodowlanej) w czasie krótszym niż 24 godziny. Wymagania pokarmowe E. coli podlegają kontroli genetycznej. Co więcej, łatwe do uzyskania mutanty pokarmowe pozwalają na szybkie wykrycie alleli genów E. coli. Przykładowo, komórki, które nie są zdolne do syntezy jednego z niezbędnych składników, nie utworzą widocznej kolonii, jeśli nie doda się go do pożywki, natomiast po jej uzupełnieniu będą rosnąć. Dzięki temu zjawisku odkryto związek między poszczególnymi genami a różnymi funkcjami komórki. Ponieważ metody genetyczne stosowane wobec muszki owocowej były nieużyteczne w przypadku bakterii, posłużono się specjalnymi trikami, aby skonstruować mapę pojedynczego chromosomu E. coli.

Techniki mapowania opracowane przez Morgana opierały się na rekombinacji zachodzącej między parami chromosomów homologicznych – typowej dla płciowego rozmnażania diploidalnych eukariontów. E. coli, jak inne organizmy prokariotyczne, rozmnaża się przez podwojenie chromosomu i podział komórki. Każda komórka potomna otrzymuje w wyniku podziału jedną kopię chromosomu. Prokaryota są więc zawsze organizmami haploidalnymi i chociaż istnieją różne allele genów prokariotycznych, znajdują się one w różnych komórkach. Na przykład gen umożliwiający bakterii wykorzystanie cukru prostego – glukozy jako źródła energii może występować w postaci dwóch alleli: funkcjonalnego oraz zmutowanego w sposób uniemożliwiający rozkład glukozy. Hodując bakterie na pożywce z glukozą łatwo sprawdzić, który z dwóch alleli zawierają komórki. Można więc w pełni wykorzystać zdolności bakterii do szybkiego, bezpłciowego rozmnażania, produkcji dużej liczby potomstwa oraz istnienia wielu mutantów E. coli do analizy genetycznej. Wykorzystano też fakt, że w pewnych sytuacjach prokarionty mogą stać się przejściowo diploidalne. Ich genetyczna analiza umożliwiła ustalenie kolejności genów na chromosomie E. coli



Geny to DNA
Geny są cząsteczkami

Współczesna chemia genu ma swoje początki w 1869 roku, kiedy to Johann Friedrich Miescher, niemiecki chemik pracujący w Tybindze, odkrył, że materiał wyizolowany z jąder ludzkich komórek nie jest białkiem, ponieważ zawiera fosfor oraz jest odporny na działanie enzymu rozkładającego białka – pepsyny. Miescher nazwał odkrytą przez siebie substancję nukleiną. Dzisiaj nosi ona nazwę kwasu deoksyrybonukleinowego, czyli DNA. W ciągu kolejnych osiemdziesięciu pięciu lat opracowano wiele metod oczyszczania DNA i analizy chemicznej jego składników oraz charakteru łączących je wiązań. Badacze zidentyfikowali podstawowe elementy budulcowe DNA: cztery odrębne małe cząsteczki nazwane nukleotydami. Podczas badań właściwości fizycznych okazało się, że DNA jest polimerem, to znaczy bardzo długą, podobną do łańcucha cząsteczką zbudowaną z nukleotydów. Ponadto odkryto, że większość komórkowego DNA znajduje się w chromosomach.

Chromosomy zawierają DNA w postaci podwójnej helisy
Wagę odkrycia struktury DNA dodatkowo podniosły wyniki wcześniejszych badań Oswalda Avery'ego i jego współpracowników z Instytutu Rockefellera w Nowym Jorku oraz Alfreda Hersheya i Margaret Chase z Uniwersytetu im. Waszyngtona w St. Louis w stanie Missouri, którzy dowiedli, że nośnikiem informacji genetycznej jest wyłącznie DNA. Główną rolę w dziedziczeniu, przypisywaną kiedyś chromosomom, przekazano teraz z całym zaufaniem chromosomowemu DNA. Wiele różnych białek zawartych w chromosomach ma również duże znaczenie, ale nie przenoszą one informacji dziedzicznej.

DNA nie jest jedynym kwasem nukleinowym występującym w komórkach. Blisko spokrewnione cząsteczki kwasu rybonukleinowego (RNA) znaleziono w jądrach komórkowych i cytoplazmie. Jak zobaczymy dalej, RNA pełni wiele istotnych funkcji podczas wykorzystywania informacji zawartej w strukturze DNA do produkcji białek.

Opisanie struktury DNA i odkrycie jego kluczowej roli w dziedziczeniu to koronne osiągnięcia genetyki. Zmieniły one jej profil z nauki opisowej i statystycznej i otworzyły rozdział badań molekularnych. Dziedziczenie okazało się związane ze strukturą cząsteczkową. Musiał upłynąć prawie wiek, zanim trzy niezależne gałęzie nauki – badania struktury i zachowania chromosomów, abstrakcyjna analiza genetyczna i biochemia połączyły się w jedno. Powszechny pozytywny odzew świata nauki na hipotezę podwójnej helisy jest świadectwem jej poprawności. Model ów pasował nie tylko do fizycznych i chemicznych danych, ale proponowana struktura była wręcz idealna dla materiału genetycznego. Liniowa sekwencja czterech różnych nukleotydów łańcucha DNA mogła reprezentować informację genetyczną. Niczym książka zawierająca treść w postaci liniowych układów dwudziestu czterech liter alfabetu, tak liniowa sekwencja czterech nukleotydów stanowi informację genetyczną do produkcji białek. Dwuniciowa budowa DNA pozwala zrozumieć, jak DNA kieruje własną replikacją przed podziałem komórki, tak aby każda komórka potomna zawierała pełny zestaw instrukcji genetycznych. DNA ma wszelkie cechy potrzebne mu do funkcjonowania w roli materiału genetycznego.

Zasady biologiczne sformułowane w ciągu ponad stu lat badań można obecnie wyrazić w kategoriach molekularnych. Chromosomy homologiczne są podobne do siebie nie tylko z wyglądu, zawierają cząsteczki DNA o zbliżonych lub identycznych sekwencjach czterech różnych nukleotydów. Gen nie jest już abstrakcyjnym tworem, jest sekwencją nukleotydów, fragmentem łańcucha DNA. Allele różnią się między sobą sekwencją nukleotydów, zmiana w ich sekwencji może wpłynąć na funkcjonowanie genu i w efekcie na cechy organizmu. Takie zmiany w sekwencji, szczególnie jeśli powodują widoczne zmiany cech organizmu, są nazywane mutacjami. Dzięki mutacjom powstają nowe allele. Rekombinacja między chromosomami homologicznymi zachodząca podczas mejozy jest na poziomie molekularnym pęknięciem dwóch cząsteczek DNA i połączeniem się ich na krzyż, co daje nową kombinację DNA. Podwajanie chromosomów w trakcie mitotycznego cyklu komórkowego i mejozy jest efektem duplikacji (replikacji) podwójnej helisy DNA. Na określenie całkowitego DNA zawartego w chromosomach danego gatunku stworzono termin genom. Genom zawiera niemal całą informację potrzebną do określenia wszystkich właściwości organizmu.

Poznanie struktury DNA wpłynęło na wszystkie dziedziny biologii. Odkrycie to stanowi fundament, na którym można oprzeć wyjaśnienie rozmaitych niewytłumaczalnych obserwacji dokonanych w ubiegłych stuleciach. Umożliwia ono również zrozumienie przyczyn niezwykłej różnorodności świata natury.











Słowniczek podstawowych pojęć genetycznych



aktywator
białko, które wzmaga transkrypcję genu wiążąc się ze specyficzną sekwencją nukleotydów lub z innym białkiem związanym z DNA
allel
jedna z form konkretnego genu; organizmy eukariotyczne, które zawierają pary chromosomów homologicznych, mają po dwa allele każdego genu w każdej komórce ciała; allele mogą być identyczne lub różne, ale zawsze zajmują tę samą pozycję na chromosomach homologicznych; bakterie i eukariotyczne komórki rozrodcze (obie haploidalne) mają tylko po jednym allelu każdego genu (organizmy poliploidalne – tj. posiadające więcej niż podwójny zestaw chromosomów homologicznych – mają więcej niż dwa allele jednego genu [przyp. tłum])
aminokwasy
cząsteczki wchodzące w skład polipeptydu (białka); rozmaite układy 20 różnych aminokwasów ułożonych w różnej kolejności tworzą białka wszystkich żywych organizmów
amplifikacja
zwielokrotnienie liczby kopii genu lub sekwencji DNA
anonimowy segment DNA
segment DNA o nieznanej funkcji
antygen (immunogen)
związek wywołujący odpowiedź układu odpornościowego
antykodon
sekwencja trzech nukleotydów w cząsteczce transportującego RNA (tRNA), komplementarna do kodonu dla określonego aminokwasu przenoszonego przez ten tRNA
bakterie
wolno żyjące, pojedyncze komórki, nie zawierające jądra i dlatego określane mianem Prokaryota; ponieważ genom bakterii ma tylko po jednej kopii każdego genu, nazywany jest genomem haploidalnym (genom bakteryjny może zawierać po kilka kopii genu; są to powtórzenia niealleliczne [przyp. tłum])
bakteriofagi
wirusy infekujące bakterie, często nazywane po prostu fagami
białka odpornościowe
przeciwciała lub receptory obecne na powierzchni komórki, rozpoznające specyficzne „obce” cząsteczki – antygeny – i łączące się z nimi
białka receptorowe
białka obecne na powierzchni błony komórkowej, rozpoznające specyficzne cząsteczki występujące w środowisku zewnętrznym i wiążące się z nimi
białko
zwinięty łańcuch polipeptydowy lub kilka oddziałujących ze sobą zwiniętych łańcuchów polipeptydowych
biblioteka
biblioteka zrekombinowanego DNA jest zbiorem identycznych cząsteczek wektora, z których każda zawiera inną wstawkę DNA – różne wstawki razem mogą reprezentować cały genom, na przykład ludzki (ludzka biblioteka genomowa); lub zbiór kopii mRNA izolowanego z komórek określonego typu przekształconych do postaci cDNA (biblioteka cDNA)
blotting DNA
przeniesienie fragmentów DNA z żelu elektroforetycznego na podłoże stałe, na przykład nitrocelulozę, bez zaburzenia układu prążków
blotting genomowy
blotting DNA, w którym fragmenty powstałe w wyniku strawienia enzymem restrykcyjnym preparatu całkowitego DNA z poszczególnych komórek organizmu są ukazane po ich związaniu (hybrydyzacji) z radioaktywną sondą i ekspozycji wobec błony fotograficznej
błona komórkowa
struktura zbudowana z lipidów i białek okrywająca komórkę; w komórkach zwierzęcych błona komórkowa jest ich zewnętrzną okrywą; komórki niektórych innych organizmów, jak bakterie, drożdże i rośliny, są dodatkowo otoczone ścianą komórkową zbudowaną z cukrowców, osłaniającą błonę komórkową
błony
dwuwarstwowe struktury zbudowane z lipidów, występujące wewnątrz komórek i otaczające je z zewnątrz; większość naturalnych błon ma wbudowane różne białka, takie jak enzymy i receptory
cDNA
nić DNA powstała przez skopiowanie nici RNA przez odwrotną transkryptazę; sekwencja cDNA jest komplementarna do RNA użytego jako matryca
centromer
wyspecjalizowany region chromosomu eukariotycznego, niezbędny do prawidłowego podziału chromosomów pomiędzy komórki potomne podczas podziału komórki; centromery są często widoczne pod mikroskopem jako przewężenia chromosomów w komórkach będących w stadium mitozy
chloroplast
złożona struktura znajdowana w cytoplazmie niektórych bakterii i komórek roślin, prowadząca fotosyntezę, czyli wychwytująca energię słoneczną do syntezy cząsteczek biologicznych; składnikiem chloroplastu pochłaniającym promieniowanie słoneczne jest chlorofil – barwnik, któremu rośliny zawdzięczają zielony kolor
chromatyna
substancja składająca się z dwuniciowego DNA zwiniętego i skondensowanego dzięki oddziaływaniom ze specjalnymi białkami
chromosomy
struktury jądra komórkowego, każdy z nich zawiera wysoko skondensowaną podwójną helisę DNA związaną z białkami
crossing-over
oddziaływania między dwoma chromosomami homologicznymi, prowadzące do wymiany fragmentów chromosomów (czyli dwuniciowego DNA)
cytoplazma
zawartość komórki, otoczona błoną w nienaruszonej komórce, z wyjątkiem jądra; cytoplazmę oddziela od zawartości jądra otoczka jądrowa
czynnik transkrypcyjny
białko ułatwiające polimerazie RNA transkrypcję genu
denaturować
zmieniać naturalny stan kwasu nukleinowego lub białka; w wyniku denaturacji DNA i RNA obie nici podwójnej helisy zostają rozplecione i rozdzielone; w wyniku denaturacji białek zniszczeniu ulega ich struktura przestrzenna (denaturacji ulegają te fragmenty RNA, które utworzyły podwójną helisę wskutek połączenia sie rejonów o komplementarnej sekwencji nukleotydów [przyp. tłum.])
diplonty (diplobionty)
komórki zawierające po dwie kopie każdego z chromosomów typowych dla danego gatunku – mające więc pary chromosomów homologicznych
długie odwrócone powtórzenia końcowe (long terminal repeats – LTR)
dwuniciowe sekwencje DNA, zazwyczaj o długości kilkuset par zasad, powtórzone na obu końcach DNA retrowirusów i retrotranspozonów
DNA (kwas deoksyrybonukleinowy)
spolimeryzowana cząsteczka złożona z czterech różnych jednostek zwanych deoksyrybonukleotydami (skróty: A, T, G i C) i niosąca informację genetyczną (geny) zakodowaną w ich kolejności; w deoksyrybonukleotydach występuje cukier deoksyryboza
ekson
część genu, której odpowiednik jest zachowany w dojrzałym, funkcjonalnym RNA; zazwyczaj, choć nie zawsze, zawiera sekwencję kodującą polipeptyd
ekspresja genu
proces wykorzystywania informacji zawartej w genie do produkcji składnika komórki; na ekspresję składają się: transkrypcja genowej sekwencji DNA na RNA oraz dla większości genów, translacja sekwencji RNA do postaci polipeptydu (białka) (do procesu ekspresji genu należy również zaliczyć splicing oraz transport produktów genów do odpowiednich miejsc w komórce [przyp. tłum.])
elektroforeza proces, podczas którego mieszanina cząsteczek, takich jak DNA, RNA i białka jest rozdzielana zgodnie z masą i ładunkiem elektrycznym w płytce żelatynopodobnej substancji (żelu elektroforetycznym) umieszczonej w polu elektrycznym
elementy ruchome
segmenty DNA zdolne do przemieszczania się z jednego miejsca na drugie w obrębie genomu, tak zwane transpozony lub skaczące geny
enzym
białko lub łańcuch RNA ułatwiający określoną reakcję chemiczną; wszystkie wewnątrzkomórkowe reakcje chemiczne są katalizowane przez enzymy (lub rybozymy – czyli cząsteczki RNA o własnościach katalitycznych [przyp. tłum.])
enzym restrykcyjny (restryktaza)
enzym rozcinający cząsteczki DNA w obrębie określonej sekwencji nukleotydowej
eukarionty
organizmy, których komórki zawierają jądra; organizm eukariotyczny może być jedną wolno żyjącą komórką – jak drożdże, lub organizmem wielokomórkowym – jak rośliny czy zwierzęta
fag
skrótowa nazwa bakteriofaga, wirusa atakującego bakterie
gen
niegdyś abstrakcyjne pojęcie opisujące jednostkę informacji dziedzicznej, obecnie odcinek DNA lub RNA, który stanowi jednostkę takiej informacji
genetyczny odcisk palca
wzór fragmentów DNA powstałych po strawieniu wybranego obszaru genomu odpowiednim enzymem restrykcyjnym i rozdzielonych w żelu elektroforetycznym; jeśli do badań wybierze się odpowiedni odcinek DNA, powstaje wzór charakterystyczny dla każdego osobnika danego gatunku
genetyka molekularna
badanie struktury molekularnej czynników uczestniczących w procesach dziedziczenia i mechanizmów chemicznych tych zjawisk
genom
całość informacji genetycznej komórki; obejmuje geny i inne sekwencje DNA
grupa metylowa
grupa atomów, w skład której wchodzi jeden atom węgla (C) i trzy atomy wodoru (H): –CH3
haplonty (haplobionty)
komórki zawierające pojedyncze kopie każdego z chromosomów typowych dla danego gatunku
heterozygota
organizm, którego diploidalny genom zawiera dwie różne wersje każdego genu (różne allele)
homologiczne (chromosomy lub odcinki DNA)
para chromosomów lub odcinków DNA o takim samym (lub bardzo podobnym) liniowym układzie odpowiednio genów lub nukleotydów; homologiczne pary chromosomów lub cząsteczek DNA mogą się w pewnym stopniu różnić sekwencją, jeśli zawierają różne allele tego samego genu
homozygota
organizm, którego diploidalny genom zawiera takie same wersje konkretnego genu (dwa identyczne allele)
hormon
stosunkowo niewielka cząsteczka pełniąca funkcję przekaźnika koordynującego aktywność różnych komórek i tkanek w wielokomórkowym organizmie
hybrydyzacja
proces, w którym dwie komplementarne, jednoniciowe cząsteczki kwasów nukleinowych łączą się ze sobą, tworząc podwójną helisę
informacyjny RNA (mRNA)
pojedyncza nić RNA, która zawiera informację o budowie polipeptydu
intron
część genu, która nie koduje żadnego elementu końcowego produktu genu i jest usuwana (w procesie wycinania i składania) z dojrzałego, funkcjonalnego RNA
jąderko
niewielka struktura wewnątrz jądra komórkowego, w której składane są rybosomy z rybosomowego RNA i białek
jądro
struktura występująca w komórkach eukariotycznych; zawiera materiał genetyczny; jest oddzielone od cytoplazmy otoczką jądrową
jednostka transkrypcyjna
wszystkie odcinki DNA związane z transkrybowanym genem: obszary kodujące, introny i inne sekwencje DNA, które znajdują się przed lub za genem na chromosomie (tzw. sekwencje oskrzydlające lub flankujące)
katalizator
substancja, która przyspiesza szybkość reakcji chemicznej między dwiema innymi substancjami; w trakcie reakcji nie zmienia się struktura katalizatora ani jego ilość, może on jednak ulegać odwracalnym modyfikacjom
klon
zbiór organizmów, komórek, wirusów lub cząsteczek DNA powstałych w wyniku replikacji jednego genetycznego przodka
klonowanie molekularne
klonowanie cząsteczek DNA
kod genetyczny
„słownik” przekładający sekwencje nukleotydów DNA i RNA na aminokwasy w białku; słowa kodu (kodony) są serią trójek kolejnych nukleotydów (takich jak AGG, GCA itp.); każdy kodon wyznacza jeden z aminokwasów albo początek bądź koniec sekwencji kodującej
kodon
trzy następujące po sobie nukleotydy w łańcuchu DNA lub RNA oznaczające określony aminokwas albo początek bądź koniec obszaru kodującego
kodon start
kodon ATG (w DNA) lub AUG (w RNA) oznaczający miejsce, w którym zaczyna się ramka odczytu i translacja
kodon stop
kodony kodu genetycznego oznaczające koniec ramki odczytu i translacji: TAA, TGA i TAG w DNA oraz UAA, UGA i UAG w RNA
komórka
podstawowa jednostka biologiczna, zdolna do rozwoju i rozmnażania; wszystkie organizmy żywe są albo pojedynczymi niezależnymi komórkami, albo zespołami komórek
komórki macierzyste
stosunkowo słabo zróżnicowane komórki, które mogą namnażać się dając początek jednemu lub kilku rodzajom zróżnicowanych (wyspecjalizowanych) komórek; na przykład z krwiotwórczych komórek macierzystych, które znajdują się w szpiku kostnym, powstają zarówno białe, jak i czerwone krwinki oraz płytki krwi
komórki rozrodcze
komórki, takie jak komórki jajowe i plemniki u zwierząt czy komórki jajowe i pyłek u roślin kwiatowych; po zapłodnieniu mogą rozwijać się w nowy wielokomórkowy organizm
komórki somatyczne
wszystkie komórki ciała (soma) z wyjątkiem komórek rozrodczych
komplementarność
tworzenie między poszczególnymi zasadami azotowymi DNA i RNA wiązań wodorowych; komplementarnymi parami są A i T (U) oraz G i C; nici DNA i RNA mogą formować dwuniciową helisę, jeśli obydwa zawierają ciągi komplementarnych zasad (np. 5'–CGCC–3' i 3'–GCGG–5')
koniugacja
przeniesienie odcinka DNA z jednej komórki bakteryjnej do drugiej za pośrednictwem mostka białkowego
konwersja genów
rodzaj rekombinacji między dwoma blisko leżącymi homologicznymi regionami DNA, podczas której jedna z sekwencji DNA jest zmieniana tak, by pasować do drugiej; proces ten, nazywany też korektą sekwencji, może zachodzić wewnątrz jednego chromosomu lub między dwoma chromosomami
kroczenie po genomie
mapowanie sekwencji genomowego DNA w pobliżu sklonowanego odcinka za pomocą końców znanego segmentu wykorzystywanych jako sondy molekularne do poszukiwania (zwykle w bibliotece) takich odcinków DNA, które zachodzą na odcinek już sklonowany
kwas nukleinowy
długa spolimeryzowana cząsteczka złożona z pojedynczych jednostek nukleotydowych związanych silnymi wiązaniami chemicznymi; łańcuchy DNA i RNA są kwasami nukleinowymi różniącymi się od siebie cukrowym składnikiem nukleotydów, jest nim odpowiednio deoksyryboza i ryboza
ligaza
enzym łączący końce nici DNA odpowiednim wiązaniem chemicznym (istnieją również liagazy łączące fragmenty RNA [przyp. tłum].)
limfocyty
jeden z rodzajów białych krwinek (leukocytów), znajdowany również w innych tkankach, np. węzłach limfatycznych, śledzionie i grasicy; komórki te są ważnymi składnikami układu odpornościowego
limfocyty B
rodzaj białych krwinek syntetyzujących i wydzielających do krwi przeciwciała; określenie „B” pochodzi stąd, że u ptaków komórki te powstają w narządzie zwanym bursą Fabrycjusza; ssaki nie mają tego narządu – limfocyty B powstają w ich szpiku kostnym i rozwijają się w wielu różnych tkankach
limfocyty T
kilka rodzajów limfocytów odgrywających istotną rolę w układzie odpornościowym; nazwa pochodzi stąd, że w trakcie dojrzewania przechodzą przez grasicę (łac.: thymus)
makrocząsteczki
bardzo duże spolimeryzowane cząsteczki, zbudowane z wielu podobnych elementów budulcowych, są nimi na przykład DNA (złożone z nukleotydów) i białka (złożone z aminokwasów)
mapa genetyczna
przedstawienie liniowego ułożenia genów na chromosomie
mapa molekularna
opis liniowego ułożenia odcinków DNA wzdłuż chromosomu
matryca
nić DNA lub RNA, wykorzystywana do ustalenia kolejności nukleotydów w nowej nici polinukleotydowej
mejoza
proces rozdziału chromosomów towarzyszący podziałowi komórkowemu, prowadzącemu do powstania komórek rozrodczych; po podziale mejotycznym każda z komórek potomnych zawiera tylko jeden chromosom z homologicznej pary chromosomów, jest więc haplontem
miejsce startu replikacji
miejsce w łańcuchu DNA, w którym zaczyna się jego replikacja
mitochondria
złożone struktury wewnątrzkomórkowe zlokalizowane w cytoplazmie wszystkich komórek eukariotycznych; wykorzystujące tlen do „spalania” związków chemicznych pochodzących z rozkładu substancji odżywczych i uzyskiwania w ten sposób energii niezbędnej do podtrzymania wszelkich procesów życiowych (chemicznych i mechanicznych) komórki; proces spalania i produkcji energii określa się mianem oddychania
mitoza
proces rozdziału chromosomów towarzyszący zwykłemu podziałowi komórkowemu; po podziale mitotycznym każda z komórek potomnych zawiera oba chromosomy z homologicznej pary, jest więc diplontem (pod warunkiem, że dzieląca się mitotycznie komórka nie jest haplontem – jak komórka drożdży; wtedy oczywiście komórki potpmne również są haploidalne [przyp. tłum.])
mutacja
zmiana w sekwencji DNA; mutacja może spowodować zmianę produktu genu lub inną regulację ekspresji genu, co w efekcie może prowadzić do zmiany cechy
mutant
gen, w którym nastąpiła mutacja, lub organizm zawierający taki gen
nukleotydy pojedyncze składniki budulcowe DNA i RNA
obszar kodujący
sekwencja DNA lub RNA zawierająca serię kodonów, na podstawie których może być zsyntetyzowane białko
odwrotna transkryptaza
enzym kopiujący sekwencję nukleotydową RNA na DNA
onkogen
uszkodzony lub nieprawidłowo regulowany gen wywołujący transformację nowotworową komórek
onkogen wirusowy
gen wirusowy wywołujący powstanie nowotworu
operator
sekwencja DNA położona w pobliżu genu prokariotycznego, która umożliwia białku regulacyjnemu (represorowi lub aktywatorowi) kontrolę transkrypcji genu (albo całej grupy genów)
organizmy transgeniczne
zwierzęta i rośliny, których genom został zmieniony przez wprowadzenie nowej sekwencji DNA w taki sposób, że ich potomstwo będzie dziedziczyło nową sekwencję
para zasad
komplementarna para zasad DNA lub RNA stabilizująca strukturę podwójnej helisy dzięki wiązaniom wodorowym między A i T (lub U w RNA) oraz G i C
patogen
czynnik wywołujący chorobę
PCR (polymerase chain reaction – łańcuchowa reakcja polimerazy)
metoda syntezy wielu kopii odcinka DNA bez klonowania
peptyd
cząsteczka składająca się z dwóch lub więcej aminokwasów połączonych silnym wiązaniem chemicznym (patrz też: wiązanie peptydowe)
plazmid
kolista, dwuniciowa cząsteczka DNA, która może ulegać replikacji niezależnie od genomu komórki
polimeraza DNA
enzym wydłużający cząsteczkę DNA przez przyłączanie pojedynczych nukleotydów do startera i łączenie ich za pomocą silnych wiązań chemicznych; kolejność nukleotydów jest precyzyjnie określona dzięki komplementarności z nicią DNA – matrycą
polinukleotyd
synonim określenia kwas nukleinowy
polipeptyd
długi peptyd, zwykle złożony z 20 lub więcej aminokwasów
prokarionty
organizmy jednokomórkowe nie zawierające jądra (patrz: bakterie)
promotor
sekwencja nukleotydowa DNA poprzedzająca sekwencję kodującą, konieczna do rozpoczęcia transkrypcji genu przez polimerazę RNA
przeciwciała
liczne białka układu odpornościowego krążące we krwi kręgowców i wychwytujące substancje obce dla organizmu (antygeny)
przekaźnik peptydowy
peptyd przekazujący sygnał między komórkami organizmu wielokomórkowego i w ten sposób koordynujący aktywność fizjologiczną; przekaźniki peptydowe są hormonami
pseudogen
kopia genu występująca w dowolnym miejscu genomu pozbawiona sekwencji regulatorowych lub zawierająca błędy w obszarze kodującym uniemożliwiające jego ekspresję
ramka odczytu
sekwencja nukleotydowa DNA lub mRNA, która może być odczytana i przepisana na polipeptyd; ramka odczytu rozpoczyna się kodonem start i kończy kodonem stop
receptor powierzchniowy
białko położone w lub na błonie komórkowej albo przechodzące przez nią, rozpoznające i wiążące specyficzne cząsteczki ze środowiska zewnętrznego; związana cząsteczka może być przetransportowana do wnętrza komórki lub służyć jako sygnał do odpowiedniej reakcji
rekombinacja
naturalny proces powstawania nowych zestawień odcinków chromosomów (a więc i odcinków DNA)
replikacja
proces powielania DNA lub RNA
replikacja DNA
synteza dwóch nowych podwójnych helis DNA na podstawie jednej podwójnej helisy; każdy łańcuch w pierwszej podwójnej helisie służy jako matryca do syntezy łańcucha komplementarnego
represor
białko hamujące transkrypcję genu wskutek związania się z określoną sekwencją nukleotydową DNA (patrz: operator)
retrotranspozon
element ruchomy, który przemieszcza się w obrębie genomu za pośrednictwem procesu transkrypcji i odwrotnej transkrypcji
retrowirus
wirus, który powiela swój genom, zbudowany z RNA, poprzez skopiowanie RNA na DNA w procesie odwrotnej transkrypcji
RFLP (polimorfizm długości fragmentów restrykcyjnych)
różnice wielkości fragmentów DNA powstałych w wyniku pocięcia odpowiednim enzymem restrykcyjnym określonego obszaru genomu różnych osobników jednego gatunku
RNA (kwas rybonukleinowy)
spolimeryzowana cząsteczka zbudowana z czterech różnych jednostek zwanych rybonukleotydami (A, U, G, i C) zawierających cukier rybozę
rybosomowy RNA (rRNA)
RNA wchodzący w skład rybosomów
Rybosomy struktury komórkowe łączące aminokwasy w polipeptydy, wykorzystujące mRNA jako matrycę; rybosomy występują w cytoplazmie i są zbudowane z rRNA i białek
składanie RNA (ang.: splicing, czyt.: splaising)
proces usuwania intronów z cząsteczki RNA i łączenia eksonów tak, by powstał funkcjonalny RNA
sonda
odcinek DNA lub RNA wyznakowany radioaktywnym izotopem (lub łatwo wykrywalną grupą chemiczną) używany do wykrywania komplementarnych odcinków kwasów nukleinowych metodą hybrydyzacji
struktura pierwszorzędowa
liczba i kolejność różnych nukleotydów w łańcuchu kwasu nukleinowego lub różnych aminokwasów w polipeptydzie
telomer
zakończenie chromosomu (a więc i podwójnej helisy chromosomowego DNA)
transdukcja
wprowadzenie obcego DNA do bakterii przez faga
transformacja
stała, dziedzicząca się zmiana właściwości komórki spowodowana przez wprowadzenie nowej sekwencji DNA pozyskanej z otoczenia komórki lub przez mutację (na przykład transformacja nowotworowa zmieniająca zdrową komórkę w nowotworową)
transgen
gen, który został eksperymentalnie wprowadzony do genomu organizmu i jest przekazywany jego potomstwu (organizmom transgenicznym)
transkrypcja
proces syntezy nowego łańcucha RNA na matrycy DNA przez polimerazę RNA
translacja
proces, w którym kod genetyczny (kodony) w informacyjnym RNA jest dekodowany do postaci polipeptydu o specyficznej sekwencji aminokwasów; translacja zachodzi na rybosomach
transportujące RNA (tRNA)
zbiór krótkich łańcuchów RNA; każdy z nich łączy się ze specyficznym aminokwasem; w jego sekwencji nukleotydowej znajdują się trzy następujące po sobie nukleotydy (antykodon) komplementarne do „słowa” kodu genetycznego (kodonu) odpowiadającego temu aminokwasowi
transpozony
inna nazwa niektórych ruchomych elementów genetycznych
wektor
cząsteczka DNA, z którą można połączyć odcinek obcego DNA – tak zrekombinowany DNA można wprowadzić do komórki, w której będzie replikowany
wektor ekspresyjny
zrekombinowany wektor DNA zaprojektowany tak, by umożliwić transkrypcję i translację sekwencji kodującej zawartej we wstawionym odcinku DNA
wektor wahadłowy
wektor, który może ulegać replikacji w komórkach więcej niż jednego gatunku
wiązanie
połączenie między dwoma atomami
wiązanie chemiczne
połączenie utrzymujące razem dwa atomy w jednej cząsteczce; wiązanie jest utworzone przez jeden lub więcej wspólnych dla obu atomów orbitali elektronowych
wiązanie peptydowe
silne wiązanie chemiczne między węglem grupy karboksylowej jednego aminokwasu a azotem grupy aminowej następnego aminokwasu; wiązania te łączą aminokwasy w peptydzie i łańcuchu polipeptydowym
wiązanie wodorowe
słabe oddziaływanie chemiczne, w którym atom wodoru jest uwspólniany przez dwa inne atomy, na przykład dwa atomy tlenu lub dwa azotu, bądź też jeden atom tlenu i jeden azotu; wiązania wodorowe są odpowiedzialne za powstawanie par zasad utrzymujących dwa łańcuchy DNA w formie podwójnej helisy
wstawka
odcinek DNA połączony z cząsteczką wektora w celu klonowania; razem z wektorem tworzy zrekombinowany DNA
zasada azotowa
składnik nukleotydów DNA i RNA; cztery zasady występujące w DNA to: adenina (a), tymina (t), guanina (g) i cytozyna (c); w RNA tymina jest zastąpiona uracylem (u)
zrekombinowany DNA
cząsteczka DNA zawierająca odcinki DNA pochodzące z różnych źródeł – syntetyzowane metodami biologicznymi lub chemicznymi – i połączone in vitro z innymi odcinkami DNA