Genetyka – co to jest genetyka, podstawowe pojęcia z genetyki

Genetyka jest dziedziną biologii opisującą prawa dziedziczenia i zmienności. Wyróżnia się kilka jej rodzajów, w zależności od przedmiotu jej badań. Genom człowieka nie jest do końca poznany, mimo tego w ostatnich latach obserwuje się dynamiczny wzrost wiedzy w temacie genetyki – lekarze i specjaliści zajmujący się genami coraz lepiej rozumieją mechanizmy i mają coraz więcej do zaoferowani pacjentom. Metody diagnostyki i leczenia stale się rozwijają, dając nadzieję pacjentom obciążonym ryzykiem rozwoju nowotworów czy skłonności do wystąpienia np. nietolerancji.
Genetyka jest nauką o dziedziczeniu

Genetyka jest bardzo obszerną dziedziną, obejmuje wiele gałęzi, a pojęcia jakimi operuje są specjalistyczne i mogą być trudne do zrozumienia dla osoby, która nie jest związana z biologią czy medycyną zawodowo.

Pomimo tego wielu pacjentów poszukuje informacji o genach, chorobach genetycznych, dziedziczeniu czy skłonności do rozwoju pewnych grup i rodzajów chorób – nowotworów, zespołów wrodzonych, nietolerancji czy np., zakrzepicy, do której skłonność również może być uwarunkowana genetycznie.

Aby zrozumieć podstawowe pojęcia i terminologię z zakresu genetyki, zapoznaj się z poniższym materiałem.

Czym jest genetyka?

Genetyka to dziedzina biologii zajmująca się prawami dziedziczenia oraz zjawiskiem zmienności organizmów. Termin genetyka został wprowadzony do nauki na początku XIX wieku przez Williama Beatsona.

Genetyka - rodzaje

Możemy wyodrębnić różne rodzaje genetyki, w zależności od tego co jest przedmiotem jej badań:

  • genetyka klasyczna,
  • genetyka populacyjna – gałąź genetyki zajmująca się zróżnicowaniem genetycznym i zmiennością genetyczną w obrębie populacji,
  • genetyka molekularna - dział genetyki zajmujący się badaniem struktury i funkcji genów na poziomie komórkowym,
  • genetyka nowotworów – dział genetyki badający zaburzenia cyklu komórkowego prowadzące do transformacji nowotworowej.

Chromosomy

Historia genetyki

Za ojca genetyki klasycznej uznaje się Grzegorza Mendla, który prowadząc doświadczenia nad roślinami,  zaobserwował że ujawnienie się określonej cechy u potomstwa  nie jest zjawiskiem przypadkowym lecz podlega pewnym regułom. Odkrył, że każdą cechę warunkuje para elementów (alleli). 

Mendel sformułował prawa dziedziczenia pojedynczych cech oraz kilku cech jednocześnie.

Nazwę gen (z greckiego genos – początek) wprowadził duński uczony Wilhelm Johannsen, który w  1909 roku użył tego terminu w celu określenia pewnego elementu znajdującego się w jądrze komórki organizmu wyższego, warunkującego wystąpienie określonej cechy morfologicznej.

Johannsen zaproponował  również termin „allel” w odniesieniu do różnych wariantów genu. Pojęcia gen i allel pojawiły się podczas wygłaszania wykładów na Międzynarodowym Kongresie Genetycznym w Berlinie (1927 roku).

Kolejnym znaczącym krokiem dla genetyki było wykazanie przez Thomasa Hunt Morgana, że geny zlokalizowane są na chromosomach oraz wyjaśnienie genetycznych podstaw determinacji płci.

Określenie fizycznej struktury DNA przez Jamesa WatsonaFrancisa Cricka w 1953 roku stworzyło podwaliny do rozwoju genetyki molekularnej.

Co to jest DNA i jaką pełni funkcję w organizmie?

Każda komórka powstaje w wyniku podziału innej, istniejącej już komórki. Ten proces jest niezwykle ważny, ponieważ umożliwia wzrost, rozwój i regenerację tkanek organizmu.  Zachodzi on dzięki syntezie odpowiednich białek kodowanych przez różne geny.

Ze względu na to, że w poszczególnych komórkach lub ich grupach, niektóre geny ulegają wyciszeniu a inne wzmocnieniu, możliwe jest  ciągłe różnicowanie się komórek pod względem morfologicznym i funkcjonalnym.

DNA (kwas deoksyrybonukleinowy ) najczęściej występuje w formie prawoskrętnej helisy, składającej się z dwóch, biegnących przeciwrównolegle, helikalnie skręconych łańcuchów. Odległości między sąsiadującymi zakrętami dwuniciowej helisy DNA nie są takie same. Na powierzchni występują więc dwa naprzemienne zagłębienia o różnej szerokości; mały rowek i duży rowek.

Nukleotydy tworzące łańcuch polinukleotydowy połączone są ze sobą wiązaniem fosfodiestrowym, znajdującym się pomiędzy 5’ fosforanem jednego nukleotydu, a grupą 3’ hydroksylową cukru kolejnego nukleotydu. Na nici wyróżniamy dwa kierunki od 3’à 5’ oraz 5’à3’. Grupy cukrowe i fosforanowe nukleotydów znajdują się w zewnętrznej części helisy, zasady azotowe natomiast, skierowane są do wewnątrz.

Genetyka

Wyróżniamy dwa typy zasad:

  • zasady purynowe (adenina, guanina)
  • zasady pirymidynowe (cytozyna, tymina)

Łączą się one zgodnie z regułą komplementarnego parowania zasad: adenina z tyminą, cytozyna z guaniną. Każdemu nukleotydowi na jednej nici odpowiada łączący się z nim, czyli komplementarny, nukleotyd na drugiej nici (komplementarność zasad).

Pomiędzy adeniną i tyminą tworzą się dwa wiązania wodorowe, a pomiędzy cytozyną u guaniną występują trzy wiązania wodorowe.  Kolejność nukleotydów w jednej nici określa kolejność nukleotydów w drugiej nici. Możliwe jest odtworzenie podwójnej helisy na podstawie tylko jednej z nich, w procesie replikacji DNA.

Genetyka a DNA jądrowe

DNA jądrowe znajduje się w stanie maksymalnej kondensacji dzięki czemu jego długość jest mniejsza o 10 000 razy od rzeczywistej. Jest to możliwe dzięki nawinięciu nici DN, na mające kształt dysków, białka histonowe. Struktury będące połączeniem histonów i DNA noszą nazwę nukleosomów.

Nukleosomy również ulegają helikalnemu skręceniu tworząc solenoid podlegający kolejnej organizacji strukturalnej tworząc pętle chromatynowe połączone białkami macierzy. Białka tworzące kompleksy z DNA jądrowym pełnią funkcję stabilizacyjną, regulacyjną i ochronną.

Kiedy komórka dzieli się, informacja zawarta w DNA musi zostać wiernie skopiowana i precyzyjnie przekazana do komórki potomnej. Replikacja DNA rozpoczyna się od rozluźnienia struktury chromatyny i rozerwania słabych wiązań wodorowych miedzy zasadami. Wyspecjalizowane białka rozwijają podwójną helisę DNA i utrzymują jednoniciową strukturę przez cały okres replikacji.

Mitoza i mejoza

Mitoza to proces podczas którego każdej komórce potomnej przekazywane są identyczne chromosomy, a tym samym identyczne geny. W wyniku mitozy z jednej komórki diploidalnej powstają dwie potomne diploidalne komórki.

Mejoza to wysoce wyspecjalizowany proces podziału, w wyniku, którego z komórki diploidalnej powstają haploidalne gamety. Proces mejozy zachodzi zarówno podczas spermatogenezy (tworzenie plemników) jak i oogenzy (powstawanie komórek jajowych). 

Spermatogeneza trwa przez całe życie dojrzałego płciowo mężczyzny. Podczas oogenezy drugi podział mejotyczny następuje dopiero po zapłodnieniu oocytu przez plemnik. Większość liczbowych zaburzeń chromosomowych u ludzi, spowodowana jest błędami powstałymi podczas rozdzielania materiału genetycznego w procesie gametogenezy.

Kod DNA

Genetyka - pojęcia

Poniżej wyjaśniono, w krótki sposób podstawowe pojęcia genetyczne z jakimi można się spotkać podczas analizowania informacji dotyczących chorób genetycznych, genetycznych  czynników ryzyka czy opisów badań diagnostycznych.

Genetyka - słownik

Allel

Wariant genu różniący się sekwencją nukleotydów  (allelomorph = inna forma), zajmujący to samo miejsce (locus) w chromosomach homologicznych. Za każdą cechę człowieka, fizjologiczną lub patologiczną, odpowiedzialna jest para alleli.

Allel dominujący

Allel, którego produkt zawsze ujawnia się w fenotypie w postaci określonej cechy, niezależnie czy występuje on w układzie homozygotycznym (kiedy towarzyszy mu taki sam allel dominujący) jak i heterozygotycznym (w sytuacji, gdy towarzyszy mu allel recesywny). Allel dominujący oznaczany jest dużą literą alfabetu. Do cech dominujących człowieka należą: ciemny kolor włosów, włosy kręcone, długie rzęsy, policzki z dołkami, ciemna tęczówka oka.

Allel recesywny

Allel, który znajduje odbicie w fenotypie jedynie, gdy nie towarzyszy mu allel dominujący.  Jeśli allel recesywny zlokalizowany jest na chromosomie płciowym X u mężczyzny (mężczyzna posiada tylko jeden chromosom płciowy X) to jego produkt zawsze ujawni się w postaci określonej cechy.  Allel recesywny oznacza się małą literą alfabetu. Do cech recesywnych człowieka należą: jasny kolor włosów, włosy proste, krótkie rzęsy, prosty profil nosa,  jasna tęczówka oka.

Allele wielokrotnezjawisko kodominacji

Terminem tym określa się stan, w którym gen warunkujący określoną cechę reprezentowany jest przez więcej niż dwa allele. Allele wielokrotne nie muszą być związane zależnością dominacji i recesywności (kodominacja). Wtedy produkty takich alleli są wytwarzane niezależnie i ujawniają się w fenotypie.  Przykładem alleli wielokrotnych u ludzi są allele grup krwi w układzie fenotypowym ABO.

Chromosomy

Nitkowate struktury zbudowane z chromatyny. Możemy je uwidocznić pod mikroskopem optycznym jedynie podczas podziałów komórkowych.  W chromosomach znajdują się geny będące podstawowymi jednostkami dziedziczenia. Chromosomy osiągają najbardziej skondensowany stan w metafazie (jedna z faz cyklu komórkowego), dzięki czemu materiał genetyczny może być równo i precyzyjnie rozdzielony do komórek potomnych. Chromosomy metafazowe składają się z dwóch równolegle ułożonych chromatyd połączonych naturalnym przewężeniem zwanym centromerem. Centromer jest miejscem przyczepu włókien wrzeciona podziałowego (kariokinetycznego). Każda ludzka komórka zwana komórką somatyczną (inna niż komórka płciowa czyli komórka jajowa u kobiet i plemnik u mężczyzn) zawiera 46 chromosomów czyli 23 pary. Jeden z chromosomów każdej pary zawsze pochodzi od ojca, drugi od matki. Jedną z par chromosomów stanowią chromosomy płciowe.  

Chromosomy płciowe

Determinują miedzy innymi płeć. Kobiety mają dwa chromosomy X (XX). Mężczyźni mają jeden chromosom X i jeden Y (XY). U kobiet jeden z chromosomów X ulega inaktywacji w celu wyrównania ilości informacji genetycznej pomiędzy przedstawicielami obydwu płci. Chromosom Y zawiera niewielką ilość genów. Do najważniejszych należą te, które warunkują powstawanie jąder oraz odpowiadają za spermatogenezę. Chromosomy inne niż chromosomy płciowe nazywane są autosomami. Każdy chromosom autosomalny w danej parze nazywany jest homologiem.

Chromosomy homologiczne

Chromosomy o takiej samej morfologii (wielkość, położenie centromeru),  zawierające taki sam układ loci genowych. Komórki o diploidalnej liczbie chromosomów posiadają po dwa chromosomy z każdej pary, czyli 22 pary autosomów i  parę chromosomów płciowych.  Komórkami diploidalnymi są komórki somatyczne organizmu. Gamety czyli komórki rozrodcze należą do komórek haploidalnych czyli posiadających 23 chromosomy.

Chromatyna

Kompleks kwasu DNA i białek pełniących funkcję stabilizacyjną i regulacyjną.

Crossing-over

Proces zachodzący podczas mejozy (podział redukcyjny komórki w wyniku którego powstaje haploidalna gameta) prowadzący do wymiany materiału genetycznego pomiędzy chromosomami homologicznymi.   

Choroba dziedziczna

Choroba, która ujawnia się na skutek odziedziczenia nieprawidłowego genu lub chromosomu od jednego lub obydwu rodziców. Choroba występuje w kolejnych pokoleniach. Większość chorób dziedzicznych uwarunkowana jest przez geny znajdujące się w DNA jądrowym (może dotyczyć również DNA mitochondrialnego).

Choroba genetyczna

Choroba lub występowanie określonych cech morfologicznych oraz  cech zachowania będąca następstwem ujawnienia się nieprawidłowości w budowie pojedynczego genu lub na skutek zmian liczby i/lub struktury chromosomów. Nie wszystkie choroby genetyczne są jednocześnie dziedziczne. Jeśli występowanie choroby genetycznej w rodzinie jest wynikiem mutacji de novo (nowej mutacji) powstałej w gametach u rodziców, to znaczy, że nie doszło do przekazania zmutowanego genu lub nieprawidłowego chromosomu kolejnemu pokoleniu.

Choroba sprzężona z chromosomem X

Inaczej choroba sprzężoną z płcią - choroba genetyczna spowodowana mutacją w genie recesywnym lub dominującym znajdującym się na chromosomie X. Do chorób sprzężonych z chromosomem X zaliczają się m.in.: hemofilia A i B, dystrofia mięśniowa Duchenne’a i zespół łamliwego chromosomu X.

Choroby autosomalne dominujące

Choroby, w których odziedziczenie tylko jednej zmienionej kopii genu (mutacji) jest wystarczające do ujawnienia się jej w fenotypie.  Zmieniony gen jest dominujący nad genem prawidłowym.

Choroby autosomalne recesywne

Choroby, w których dwie zmienione kopie genu (mutacje) muszą zostać odziedziczone (po jednej od każdego rodzica), by choroba się ujawniła klinicznie. Osoba, która ma tylko jedną kopię genu z mutacją, będzie zdrowym nosicielem.

DNA  (kwas dezoksyrybonukleinowy)

Zbudowany jest z nukleotydów czyli jednostek składających się z deoksyrybozy (cukier), zasady azotowej i reszty fosforanowej. W sekwencji nukleotydów czyli kolejności  ich ułożenia w DNA zakodowana jest informacja o wszystkich białkach organizmu. DNA ma budowę podwójnej helisy. Istnieje kilka głównych typów DNA w organizmie ludzkim: DNA unikatowe oraz DNA powtarzalne.

Fenotyp

Dające się zaobserwować cechy danego osobnika (budowa ciała, zachowanie, obecność wad wrodzonych, występowanie określonych objawów klinicznych). Fenotyp organizmu kształtuje się  w wyniku oddziaływania genów oraz  czynników środowiskowych.

Gen

Podstawowa jednostka dziedziczności. W ujęciu molekularnym jest to fragment DNA kodujący białko o określonej sekwencji aminokwasów. Informacja zawarta w genie jest przepisywana na informacyjne RNA (transkrypcja), dzięki czemu może opuścić jądro komórkowe. W cytoplazmie informacyjne RNA stanowi matrycę do syntezy polipeptydu. W rozumieniu klasycznym gen jest czynnikiem determinującym określoną cechę (w skrócie: Jednostka informacji genetycznej, zbudowana z DNA i umieszczona w chromosomach). Geny różnią się swoją wielkością. Mogą zawierać od kilku tysięcy do kliku milionów par zasad. Geny zawierają fragmenty kodujące nazywane eksonami i niekodujące zwane intronami.

Genom

Całkowite DNA organizmu.

Genotyp

Układ alleli w danym locus charakterystyczny dla danego osobnika.

 

Heterozygota

Organizm posiadający dwa różne allele w jednym locus.

Homozygota

Organizm posiadający dwa jednakowe allele w jednym locus.

Kariotyp

Zestaw chromosomów występujących w komórce somatycznej o określonej liczbie i morfologii, właściwy każdemu organizmowi.

Kod genetyczny

Kombinacja kodonów w obrębie informacyjnego RNA. Kolejność kodonów wyznacza ułożenie aminokwasów w powstającym w procesie translacji polipeptydzie. Kodon- sekwencja trzech zasad w informacyjnym RNA, definiująca określony aminokwas. Kodon determinowany jest układem trójek nukleotydów w łańcuchu DNA. Kod genetyczny człowieka określany jest mianem zdegenerowanego, ponieważ większość aminokwasów może być określana przez więcej niż jeden kodon.

Mutacje

Nabyte, trwałe zmiany w sekwencji nukleotydów kwasu DNA. Mutacje mogą być spowodowane czynnikami fizycznymi, chemicznymi bądź błędami powstałymi w trakcie replikacji. Mutacje mogą dotyczyć gamet (mutacje germinalne) lub komórek somatycznych (mutacje somatyczne). Mogą zaburzać strukturę chromosomów lub dotyczyć pojedynczych nukleotydów w łańcuchu DNA (mutacje punktowe).

Replikacja

Proces w trakcie którego następuje podwojenie materiału genetycznego (duplikacja cząsteczki DNA).

Transkrypcja

Proces polegający na syntezie informacyjnego RNA zgodnie z sekwencją nukleotydów matrycowego DNA. Transkrypt pierwotny zawiera introny, które podlegają wycięciu w procesie dojrzewania RNA.

Translacja

Proces syntezy polipeptydu na podstawie dojrzałego transkryptu informacyjnego RNA.

 

Dowiedz się więcej:

Niestabilność genetyczna - jej znaczenie w procesie powstawania nowotworów oraz diagnostyka laboratoryjna

https://journals.viamedica.pl/nowotwory_journal_of_oncology/article/download/52195/38928

DNA - cząsteczka, która zmieniła naukę. Krótka historia odkryć

http://www.pan.poznan.pl/nauki/N_209_09_Barciszewski.pdf

Zobaczyć gen, chromosom i genom - czyli badania cytogenetyki molekularnej

http://www.pan.poznan.pl/nauki/N_407_08_Maluszynska.pdf

autor Marlena Kruk Siwik
konsultacja merytoryczna Dr. n.med. Beata Romanowska-Pietrasiak, Specjalista genetyki klinicznej
Data dodania 02.10.2018