Genetika: věda o genech, dědičnosti a evoluci

Živé organismy se skládají z milionů drobných samostatných součástí, kterým se říká buňky. Uvnitř každé buňky se nacházejí dlouhé a složité molekuly zvané deoxyribonukleová kyselina. DNA uchovává informace, které buňkám říkají, jak danou živou bytost vytvořit. Části této informace, které říkají, jak vytvořit jednu malou část nebo vlastnost živé bytosti - zrzavé vlasy, modré oči nebo sklon k výšce - se nazývají geny.

Každá buňka stejného živého organismu má stejnou DNA, ale v každé buňce je použita jen její část. Například některé geny, které určují, jak se vytvářejí části jater, jsou v mozku vypnuty. To, které geny se používají, se také může v průběhu času měnit. Například na počátku těhotenství dítěte se používá mnoho genů, které se později nepoužívají.

Člověk má dvě kopie každého genu, jednu od matky a jednu od otce. Může existovat několik typů jednoho genu, které dávají různé instrukce: jedna verze může způsobit, že člověk bude mít modré oči, jiná může způsobit, že bude mít hnědé. Tyto různé verze se nazývají alely genu.

Protože živý organismus má dvě kopie každého genu, může mít současně dvě různé alely. Často je jedna alela dominantní, což znamená, že živá bytost vypadá a chová se, jako by měla pouze tuto jednu alelu. Nevyjádřená alela se nazývá recesivní. V jiných případech se nakonec objeví něco mezi těmito dvěma možnostmi. V takovém případě se obě alely nazývají kodominantní.

Většina vlastností, které můžete u živých organismů pozorovat, má více genů, které je ovlivňují. A mnoho genů má na organismus více účinků, protože jejich funkce nebude mít v každé tkáni stejný účinek. Vícenásobné působení jednoho genu se nazývá pleiotropismus. Celý soubor genů se nazývá genotyp a celkový účinek genů na organismus se nazývá fenotyp. Jedná se o klíčové pojmy v genetice.

Předmendelovské myšlenky

Víme, že člověk začal chovat domácí zvířata již v dávných dobách, pravděpodobně ještě před vynálezem zemědělství. Nevíme, kdy byla dědičnost poprvé oceněna jako vědecký problém. Řekové, a zřejmě nejvíce Aristoteles, studovali živé organismy a navrhovali myšlenky o rozmnožování a dědičnosti.

Pravděpodobně nejdůležitější myšlenkou před Mendelem byl Charles Darwin, jehož myšlenka pangeneze měla dvě části. První, že se trvalé dědičné jednotky předávají z generace na generaci, byla zcela správná. Druhou byla jeho myšlenka, že jsou doplňovány "gemmuly" ze somatických (tělesných) tkání. To bylo zcela chybné a ve vědě to dnes nehraje žádnou roli. Darwin měl pravdu v jedné věci: cokoli se v evoluci děje, musí se dít prostřednictvím dědičnosti, a proto je přesná věda o genetice pro evoluční teorii zásadní. Toto "párování" mezi genetikou a evolucí trvalo mnoho let. Jeho výsledkem je moderní evoluční syntéza.

Mendelova genetika

Základní pravidla genetiky poprvé objevil mnich Gregor Mendel kolem roku 1865. Již před tisíci lety lidé zkoumali, jak se znaky dědí z rodičů na děti. Mendelova práce se však lišila, protože své pokusy koncipoval velmi pečlivě.

Mendel při svých pokusech zkoumal, jak se u rostlin hrachu předávají vlastnosti. Začal křížení s rostlinami, které se množily věrně, a počítal znaky, které byly v přírodě buď/nebo (buď vysoké, nebo krátké). Vyšlechtil velké množství rostlin a své výsledky vyjádřil číselně. K odhalení přítomnosti a podílu recesivních znaků používal testovací křížení.

Mendel vysvětlil výsledky svého pokusu pomocí dvou vědeckých zákonů:

• 1. Faktory, později nazývané geny, se v běžných tělních buňkách obvykle vyskytují v párech, ale při vzniku pohlavních buněk se oddělují. Tyto faktory určují vlastnosti organismu a dědí se po rodičích. Při vzniku gamet meiózou se oba faktory oddělí. Gameta obdrží pouze jeden nebo druhý. To Mendel nazval zákonem segregace.
• 2. Alely různých genů se při tvorbě gamet oddělují nezávisle na sobě. Tento zákon nazývá zákonem nezávislé asortáže. Mendel se tedy domníval, že různé znaky se dědí nezávisle na sobě. Dnes víme, že to platí pouze v případě, že geny nejsou na stejném chromozomu, v takovém případě nejsou vzájemně propojeny.

Mendelovy zákony pomohly vysvětlit výsledky, které pozoroval u svých rostlin hrachu. Později genetici zjistili, že jeho zákony platí i pro jiné živé organismy, dokonce i pro člověka. Mendelovy poznatky z jeho práce na zahradních rostlinách hrachu pomohly založit obor genetiky. Jeho přínos se neomezil pouze na základní pravidla, která objevil. Mendelova pečlivost při kontrole podmínek pokusu spolu s jeho pozorností věnovanou číselným výsledkům stanovily standard pro budoucí pokusy. V průběhu let vědci Mendelovy myšlenky měnili a zdokonalovali. Věda o genetice by však dnes nebyla možná bez rané práce Gregora Mendela.

Mezi Mendelem a moderní genetikou

V letech mezi Mendelovou prací a rokem 1900 byly vytvořeny základy cytologie, tedy studia buněk. Objevená fakta o jádru a dělení buněk byla nezbytná pro správné pochopení Mendelovy práce.

1832: Barthélémy Dumortier, který jako první pozoroval dělení buněk v mnohobuněčném organismu.

1841, 1852: Robert Remak (1815-1865), polsko-německý fyziolog židovského původu, jako první uvedl základ buněčné biologie: buňky vznikají pouze z jiných buněk. To později zpopularizoval německý lékař Rudolf Virchow (1821-1902), který použil slavnou větu omnis cellula e cellula, tedy všechny buňky z jiných buněk.

1865: Mendel publikoval článek Experiments on plant hybridization (Pokusy s hybridizací rostlin).

1876: V roce 1876 německý biolog Oscar Hertwig (1849-1922) poprvé objevil a popsal meiózu u vajíček mořských ježků.

1878–1888: Walther Flemming a Eduard Strasburger popisují chování chromozomů během mitózy.

1883: Edouard van Beneden (1846-1910) popsal meiózu na úrovni chromozomů u vajíček škrkavky (Ascaris).

1883: Wilhelm Roux (1850-1924) si uvědomil význam lineární struktury chromozomů. Jejich rozdělení na dvě stejné podélné poloviny zajistilo, že každá dceřiná buňka dostala stejný chromozomový komplement. Chromozomy tedy byly nositeli dědičnosti.

1889: V roce 1889 nizozemský botanik Hugo de Vries navrhuje, že "dědičnost specifických znaků v organismech přichází v částicích", a pojmenovává tyto částice (pan)geny.

1890: Význam meiózy pro rozmnožování a dědičnost popsal až v roce 1890 německý biolog August Weismann (1834-1914), který si všiml, že k přeměně jedné diploidní buňky na čtyři haploidní jsou nutná dvě buněčná dělení, pokud má být zachován počet chromozomů.

1902–1904: Theodor Boveri (1862-1915), německý biolog, v řadě článků upozornil na shodu mezi chováním chromozomů a výsledky, které získal Mendel. Tvrdil, že chromozomy jsou "nezávislé entity, které si zachovávají svou nezávislost i v klidovém jádře...". Co z jádra vychází, je to, co do něj vstupuje".

1903: Walter Sutton navrhl, že chromozomy, které se segregují mendelovským způsobem, jsou dědičné jednotky. Edmund B. Wilson (1856-1939), Suttonův učitel a autor jedné z nejslavnějších učebnic biologie, to nazval Sutton-Boveriho hypotézou.

V tomto okamžiku se objevy v cytologii spojily se znovuobjevenými Mendelovými myšlenkami a vznikla fúze zvaná cytogenetika (cyto = buňka; genetika = dědičnost), která pokračuje dodnes.

Znovuobjevení Mendelova díla

V 90. letech 19. století začalo několik biologů provádět pokusy se šlechtěním a brzy byly Mendelovy výsledky zopakovány, a to ještě dříve, než byly jeho práce přečteny. Carl Correns a Hugo de Vries byli hlavními znovuobjeviteli Mendelových spisů a zákonů. Oba uznávali Mendelovu prioritu, i když je pravděpodobné, že de Vries pochopil své vlastní výsledky až po přečtení Mendela. Ačkoli Erichu von Tschermakovi byl původně také připisován znovuobjevitelský význam, tento názor již není přijímán, protože Mendelovy zákony nepochopil. Ačkoli de Vries později ztratil o mendelismus zájem, další biologové vybudovali z genetiky vědu.

Mendelovy výsledky byly zopakovány a genetická vazba se brzy osvědčila. William Bateson se v počátcích pravděpodobně nejvíce zasloužil o propagaci Mendelovy teorie. Slovo genetika a další terminologie pochází od Batesona.

Mendelovy experimentální výsledky se později staly předmětem diskusí. Fisher analyzoval výsledky poměru F2 (druhé dceřiné linie) a zjistil, že se nevěrohodně blíží přesnému poměru 3:1. Někdy se předpokládá, že Mendel mohl své výsledky cenzurovat a že se jeho sedm znaků vyskytuje každý na samostatném chromozomovém páru, což je krajně nepravděpodobné, pokud byly vybrány náhodně. Ve skutečnosti se Mendelovy studované geny vyskytovaly pouze ve čtyřech vazebných skupinách a pouze jeden genový pár (z 21 možných) je natolik blízký, že vykazuje odchylku od nezávislého sortimentu; tento pár Mendel nestudoval.

Mutace

Během procesu replikace DNA někdy dochází k chybám. Tyto chyby, nazývané mutace, mohou mít vliv na fenotyp organismu. To má obvykle vliv na fitness organismu, jeho schopnost žít a úspěšně se rozmnožovat.

Míra chyb je obvykle velmi nízká - 1 chyba na každých 10-100 milionů bází - díky "korekturní" schopnosti DNA polymeráz. U mnoha virů je chybovost tisíckrát vyšší. Protože se spoléhají na DNA a RNA polymerázy, které nemají schopnost korektury, dochází u nich k vyšší míře mutací.

Procesy, které zvyšují rychlost změn v DNA, se nazývají mutagenní. Mutagenní chemické látky zvyšují počet chyb při replikaci DNA, často zásahem do struktury párování bází, zatímco UV záření vyvolává mutace poškozením struktury DNA. K chemickému poškození DNA dochází i přirozeně a buňky využívají mechanismy opravy DNA k opravě chyb a zlomů v DNA - nicméně oprava někdy selže a nevrátí DNA do původní sekvence.

U organismů, které používají chromozomální křížení k výměně DNA a rekombinaci genů, mohou chyby v zarovnání během meiózy rovněž způsobit mutace. Chyby při křížení jsou obzvláště pravděpodobné, když podobné sekvence způsobí, že partnerské chromozomy přijmou chybné zarovnání; to činí některé oblasti v genomech náchylnější k mutacím tímto způsobem. Tyto chyby způsobují velké strukturální změny v sekvenci DNA - duplikace, inverze nebo delece celých oblastí nebo náhodnou výměnu celých částí mezi různými chromozomy (tzv. translokace).

Punnettovy čtverce

Punnettovy čtverce, které vyvinul Reginald Punnett, používají biologové k určení pravděpodobnosti, že potomci budou mít určitý genotyp.

Pokud B představuje alelu pro černé vlasy a b představuje alelu pro bílé vlasy, potomek dvou rodičů Bb bude mít 25% pravděpodobnost, že bude mít dvě alely pro bílé vlasy (bb), 50% pravděpodobnost, že bude mít jednu z nich (Bb), a 25% pravděpodobnost, že bude mít pouze alelu pro černé vlasy (BB).

Rodokmenový diagram

Genetici (biologové zabývající se genetikou) používají rodokmeny k zaznamenávání znaků osob v rodině. Pomocí těchto diagramů mohou genetici studovat, jak se znak dědí z člověka na člověka.

Genetici mohou také pomocí rodokmenů předpovídat, jak se znaky budou předávat budoucím dětem v rodině. Například genetičtí poradci jsou odborníci, kteří pracují s rodinami, které mohou být postiženy genetickými chorobami. V rámci své práce vytvářejí pro rodinu rodokmeny, které mohou být použity ke studiu toho, jak by se nemoc mohla dědit.

Studie dvojčat

Protože lidi nelze experimentálně chovat, musí se lidská genetika studovat jinými prostředky. Jedním z nejnovějších způsobů je studium lidského genomu. Dalším, o mnoho let starším způsobem je studium dvojčat. Jednovaječná dvojčata jsou přirozenými klony. Jsou nositeli stejných genů, lze je tedy využít ke zkoumání toho, jak moc se dědičnost podílí na jednotlivých lidech. Studie s dvojčaty jsou poměrně zajímavé. Pokud sestavíme seznam charakteristických rysů, zjistíme, že se liší v tom, za kolik vděčí dědičnosti. Např:

• Barva očí: zcela dědičná
• Hmotnost, výška: zčásti dědičné, zčásti vlivem prostředí
• Jakým jazykem člověk mluví: výhradně prostředí.

Studie se provádějí následujícím způsobem. Vezměte skupinu jednovaječných dvojčat a skupinu bratrských dvojčat. Změří se u nich různé vlastnosti. Proveďte statistickou analýzu (např. analýzu rozptylu). Ta vám řekne, do jaké míry je daný znak dědičný. Znaky, které jsou částečně dědičné, budou u jednovaječných dvojčat výrazně podobnější. Takové studie lze dále provádět porovnáváním jednovaječných dvojčat vychovávaných společně s jednovaječnými dvojčaty vychovávanými za různých okolností. To umožňuje zjistit, jak moc mohou okolnosti změnit výsledky geneticky identických lidí.

Osobou, která jako první provedla studii dvojčat, byl Francis Galton, Darwinův nevlastní bratranec, který byl zakladatelem statistiky. Jeho metoda spočívala v tom, že sledoval dvojčata v průběhu jejich života a prováděl mnoho druhů měření. Bohužel, i když věděl o jednovaječných a dvojvaječných dvojčatech, nedocenil skutečný genetický rozdíl. Studie dvojčat moderního typu se objevily až ve 20. letech 20. století.

Genetika bakterií, archeí a virů je významnou oblastí výzkumu. Bakterie se většinou dělí nepohlavním dělením buněk, ale mají určitý druh pohlaví prostřednictvím horizontálního přenosu genů. Bakteriální konjugace, transdukce a transformace jsou jejich metody. Kromě toho je nyní známa kompletní sekvence DNA mnoha bakterií, archeí a virů.

Ačkoli mnoho bakterií dostalo druhová a specifická jména, jako například Staphylococcus aureus, celá myšlenka druhu je poněkud nesmyslná pro organismus, který nemá pohlaví a křížení chromozomů. Místo toho mají tyto organismy kmeny, a tak se v laboratoři identifikují.

Exprese genů

Exprese genu je proces, při kterém se dědičná informace v genu, tedy sekvence párů bází DNA, mění ve funkční genový produkt, například protein nebo RNA. Základní myšlenka spočívá v tom, že DNA je přepisována do RNA, která je následně překládána do proteinů. Z bílkovin se skládá mnoho struktur a všech enzymů v buňce nebo organismu.

V procesu genové exprese může být modulováno (vyladěno) několik kroků. Patří sem jak transkripce a překlad, tak konečný stav složeného proteinu. Genová regulace zapíná a vypíná geny, a tím řídí diferenciaci buněk a morfogenezi. Genová regulace může také sloužit jako základ evolučních změn: kontrola načasování, umístění a množství genové exprese může mít zásadní vliv na vývoj organismu. Exprese genu se může v různých tkáních velmi lišit. Tomu se říká pleiotropismus, což je v genetice rozšířený jev.

Alternativní sestřih je novodobý objev velkého významu. Jedná se o proces, při kterém může být z jednoho genu sestaveno velké množství variantních proteinů. Jeden konkrétní drozofilní gen (DSCAM) může být alternativně sestřihán do 38 000 různých mRNA.

Epigenetika a řízení vývoje

Epigenetika se zabývá studiem změn v aktivitě genů, které nejsou způsobeny změnami v sekvenci DNA. Je to studium genové exprese, způsobu, jakým geny vyvolávají své fenotypové účinky.

Tyto změny v aktivitě genů mohou zůstat zachovány po zbytek života buňky a mohou také přetrvávat po mnoho generací buněk v průběhu buněčných dělení. Nedochází však ke změně základní sekvence DNA organismu. Místo toho nedědičné faktory způsobují, že se geny organismu chovají (projevují) jinak.

Hox geny jsou komplexem genů, jejichž proteiny se vážou na regulační oblasti cílových genů. Cílové geny pak aktivují nebo potlačují buněčné procesy a řídí tak konečný vývoj organismu.

Extranukleární dědičnost

Některé druhy dědičnosti se odehrávají mimo buněčné jádro. Normální dědičnost se dědí od obou rodičů prostřednictvím chromozomů v jádře oplozené vaječné buňky. Existují i jiné druhy dědičnosti.

Dědičnost organel

Mitochondrie a chloroplasty nesou určitou vlastní DNA. O jejich složení rozhodují geny v chromozomech a geny v organelách. Carl Correns objevil příklad v roce 1908. Čtyřlístek Mirabilis jalapa má listy, které mohou být bílé, zelené nebo pestré. Correns zjistil, že pyl nemá na tuto dědičnost žádný vliv. O barvě rozhodují geny v chloroplastech.

Infekční dědičnost

Příčinou je symbiotický nebo parazitický vztah s mikroorganismem.

Mateřský efekt

V tomto případě se přepisují jaderné geny v samičí gametě. Produkty se hromadí v cytoplazmě vajíčka a mají vliv na raný vývoj oplozeného vajíčka. Takto je určeno zavinování plže Limnaea peregra. Pravotočivé ulity jsou genotypy Dd nebo dd, zatímco levotočivé ulity jsou dd.

Nejdůležitějším příkladem mateřského efektu je Drosophila melanogaster. Proteinové produkty genů s mateřským efektem aktivují další geny, které zase aktivují další geny. Za tuto práci byla v roce 1995 udělena Nobelova cena za fyziologii nebo medicínu.

Velká část moderního výzkumu využívá kombinaci genetiky, buněčné biologie a molekulární biologie. Mezi témata, za která byly uděleny Nobelovy ceny za chemii nebo fyziologii, patří:

• Alternativní sestřih, kdy jeden gen kóduje různé příbuzné proteinové produkty.
• Genomika, sekvenování a analýza funkce a struktury genomů.
• Genové inženýrství, změna genomu organismu pomocí biotechnologie.
• Mobilní genetické elementy, typy DNA, které mohou měnit pozici v genomu.
• Horizontální přenos genů, kdy organismus získává genetický materiál od jiného organismu, aniž by byl jeho potomkem.

Genetika lidského chování

Mnoho známých poruch lidského chování má genetickou složku. To znamená, že jejich dědičnost částečně způsobuje dané chování nebo zvyšuje pravděpodobnost výskytu problému. Mezi příklady patří např:

• Autismus
• ADHD (porucha pozornosti)
• Užívání a zneužívání drog
• Podstupování rizika
• Schizofrenie

Také normální chování je do značné míry ovlivněno dědičností:

• Učení a kognitivní schopnosti
• Osobnost

·          

·          

• ENCODE: kompletní analýza lidského genomu
• Genová terapie