Wykład 1 czesc 1 Plik

1
Fot. R.Galek
Fot. R.Galek
Człowiek od czasów prehistorycznych nieświadomie wykorzystywał mechanizmy warunkujące
przekazywanie cech z pokolenia na pokolenie udomawiając rośliny i zwierzęta, które do dziś
stanowią dla nas podstawę wyżywienia i surowców do przetwarzania np. odzieży.
Mikroorganizmy zaczęto używać już w Starożytności np. drożdży do produkcji chleba, wina i
piwa (o czym mówi inskrypcja sprzed 2200 p.n.e. „Usta zadowolonego z życia człowieka
wypełnia piwo”) stwarzając podwaliny współczesnej biotechnologii. W tym dziedzictwie
pozostawionym po naszych starożytnych przodkach odnajdujemy początki badań, których
rozwinięcie zawdzięczamy współczesnej genetyce.
Dziedziczenie cech, podobieństwo między rodzicami a potomstwem intrygowało ludzkość już
w zamierzchłych czasach. W IV p.n.e Arystoteles, reprezentujący szkołę preformistów głosił
hipotezę, że miniatura przyszłego potomka jest uformowana już w komórce jajowej (owiści),
a nasienie ojca pobudza ją jedynie do rozwoju lub też miniaturka człowieka mieści się w
plemniku (spermiści), który dostawszy się do organizmu matki wykorzystuje go jako swoisty
inkubator, w którym się rozwija. Ostatecznie razem z Hipokratesem sformułowali teorię
panspermii, zgodnie, z którą każda część organizmu wytwarza w własne „nasienie”, biorące
udział w powstaniu potomstwa. Stopień podobieństwa potomstwa do rodziców zależny był od
ilości nasienia, pochodzącego od formy ojcowskiej.
Cecha jest to konkretna właściwość organizmu będąca wynikiem współdziałania genu lub
genów z warunkami środowiska. Warunki te mogą powodować zmianę stopnia przejawiania
się cechy lub cech.
Cechy przeciwstawne (alternatywne) są to takie warianty określonej cechy (np. wysokość
roślin), które nie występują jednocześnie u tego samego osobnika. Ta sama roślina nie może
być jednocześnie wysoka i niska.
2
Znaczenie genetyki systematycznie rośnie. Człowiek już od bardzo dawna stosuje różne i
celowe zabiegi zmierzające do uzyskania użytecznych żywych organizmów lub produktów z
nich pochodzących. Ogólnie działania takie określa się jako tzw. biotechnologię. W szerokim
znaczeniu obejmuje, więc ona zarówno selekcję prowadzoną przez hodowców roślin czy
zwierząt, wykorzystanie drobnoustrojów np. drożdży do produkcji piwa, jak i bezpośrednie
manipulacje materiałem genetycznym, czyli inżynierię genetyczną. Ta ostatnia należy do
najszybciej rozwijających się dziedzin nauki.
Genetyka ma dzisiaj znaczenie:
A) dla nauk podstawowych, np. w badaniu ewolucji organizmów, analizie genomów ich
struktury i f unkcji, proteomice (czyli poznawaniu struktury i funkcji białek) oraz metabolomice,
związanej z przemianami szlaków metabolicznych;
B) dla nauk stosowanych;
a) rolnictwa - w hodowli roślin i zwierząt;
b) przemysłu farmaceutycznego (produkcja leków w bioreaktorach) i medycyny w leczeniu
chorób.
3
Fot. R.Galek
Fot. R.Galek
Ocena zmienności biologicznej jest wstępną czynnością we wszelkich badaniach
genetycznych. Aby poznać sposób dziedziczenia danej cechy należy oddzielić od siebie
niedziedziczne i dziedziczne składniki zmienności
4
Na schemacie wydzielono poszczególne składniki zmienności o charakterze niedziedzicznym
i dziedzicznym.
Do podstawowych parametrów statystycznych, wykorzystywanych w ocenie zmienności
stosuje się wariancję, odchylenie standardowe, średnią arytmetyczną, medianę, modalną,
współczynnik zmienności oraz korelację. Z niektórymi z nich miałeś już do czynienia na kursie
matematyki statystycznej.
Ponadto w badaniach genetycznych określa się stopień odziedziczalności poszczególnych
cech wykorzystując analizę drugiego pokolenia F 2, rodziców a także krzyżowań wstecznych pokoleń uzyskanych ze skrzyżowania osobników F 1 z poszczególnymi formami rodzicielskimi.
Do sprawdzenia sposobu dziedziczenia wykorzystuje się test Chi 2. Więcej na ten temat
dowiesz się z kolejnych zajęć.
Możliwość włączenia technik biologii molekularnej i rozwinięcie metod bioinformatycznych
przyśpieszyło lokalizację genów czyli tworzenie map genetycznych u wielu gatunków.
Fot. R.Galek
Fot. R.Galek
wpływ długości dnia (fotoperiodu) na
sterowanie kwitnieniem np. w szklarni
czy też w kulturach in vitro - indukowanie
lub hamowanie kwitnienia
6
„Na zdjęciach widzisz dwa gatunki zwierząt, u których ciemne zabarwienie futra związane jest
z niższą temperaturą ciała w pewnych jego częściach.”
8
10
„Kultury in vitro są źródłem nowego typu zmienności tzw. zmienności somaklonalnej, która
może być przydatna w programach hodowlanych. Zmienność somaklonalna jest to
jakakolwiek zmienność powstała w wyniku prowadzenia kultury in vitro komórek roślinnych,
tkanek, organów i f ragmentów roślin oraz roślin z nich zregenerowanych. W przypadku
wykorzystania kultur tkankowych do masowego mnożenia, w celu odtworzenia genotypu
wyjściowego ma ona charakter niepożądany. Do jej wykrywania często posługujemy się
obecnie technikami genetyki molekularnej, zwłaszcza gdy zmiany makroskopowe nie są tak
widoczne „gołym okiem” jak na zdjęciach.
14
Na schemacie przedstawiono przekazywanie informacji genetycznej w ontogenezie.
Ontogeneza oznacza rozwój osobniczy, którego podstawę stanowi podział mitotyczny, dając
potomne komórki, które pod względem informacji genetycznej są identyczne. Jest to proces
namnażania, podział homotypowy.
Ontogeneza rozpoczyna się od momentu powstania zygoty, poprzez rozwój prozarodka,
zarodka a następnie formowanie się w przypadku roślin nasion, które po skiełkowaniu dają
roślinę potomną. Ontogeneza kończy się śmiercią osobnika.
15
Na schemacie prześledź rozwój rodowy, czyli cykl życiowy obejmujący przemianę pokoleń
(2n-n). Przemiana pokoleń u roślin wiąże się często z przemianą faz jądrowych, a zatem
regularnym cyklicznym następowaniu po sobie faz rozwojowych o haploidalnej - n (między
mejozą i zapłodnieniem) i diploidalnej - 2n liczbie chromosomów (między zapłodnieniem i
mejozą).
Mejoza różnicuje komórki pod względem liczby chromosomów i pod względem informacji
genetycznej – podział heterotypowy
MEJOZA jest podziałem redukcyjnym, gdyż liczba chromosomów w komórkach potomnych
jest o połowę mniejsza niż w komórce macierzystej. Komórki potomne mimo redukcji liczby
chromosomów zawierają pełną informację genetyczną (zawierają jeden genom – pojedynczy
zestaw chromosomów).
16
Pojawienie się płciowości w procesie ewolucji świata roślinnego jako nowej metody rozmnażania przyczyniło się do
powstania nowej zmienności, dzięki której z pokolenia na pokolenia mogą powstawać nowe kombinacje alleli
genów. Mogą to być układy gorsze lub lepsze w porównaniu do organizmów rodzicielskich.
Rośliny okrytonasienne wytwarzają gamety męskie w pylnikach, a gamety żeńskie w woreczku zalążkowym
zlokalizowane w zalążkach zalążni słupków kwiatowych. Zanim wytworzą się gamety, różnicuje się zarówno w
pręcikach jak i zalążniach tkanka archesporialna, która daje początek gametofitom. Przed ich powstaniem dochodzi
do podziału mejotycznego – redukcyjnego, dzięki czemu gamety zawierają o połowę mniejszą liczbę chromosomów
(n).
Wyróżniamy różne organizacje lokalizacji organów generatywnych na osobnikach w postaci:
dwupienności - część osobników wytwarza wyłącznie kwiaty żeńskie, a inne wyłącznie kwiaty męskie np. szczaw,
chmiel, konopie, pokrzywa
jednopienności - rośliny posiadają kwiaty męskie i żeńskie na 1 osobniku – większość roślin uprawnych
- rozdzielnopłciowość – np. kukurydza – kwiaty męskie i żeńskie osobno
- obupłciowość – np. zboża – organy męskie i żeńskie w jednym kwiecie (kwiaty hermafrodytyczne)
-Dwupienne – obcopylne
-Jednopienne – samopylne (np. pszenica, jęczmień, groch) i obcopylne (np. żyto)
Na schemacie przedstawiono procesy powstawania gamet i zygot.
Oznaczenia na rysunku:
1) W ośrodku zalążka wyodrębnia się w ciągu rozwoju 1 komórka macierzysta (KMM) woreczka zalążkowego.
2) W wyniku podziału mejotycznego powstają z niej 4 komórki haploidalne (makrospory). U wielu gatunków tylko
jedna z nich przekształca się w jednojądrowy woreczek zalążkowy – trzy pozostałe zamierają.
3) Jądro funkcjonalnej makrospory ulega trzykrotnemu podziałowi mitotycznemu, w wyniku czego powstaje 8 jąder
potomnych, które odpowiednio usytuowane tworzą ośmiojądrowy woreczek zalążkowy – czyli gametofit żeński.
4) Zapłodnienie – ziarno pyłku przedostaje się na znamię słupka, gdzie kiełkuje (8) - wypuszcza łagiewkę pyłkową –
czas przerastania łagiewki w zależności od gatunku wynosi od kilku godzin a nawet do roku. Łagiewka pyłkowa po
wniknięciu do woreczka zalążkowego wylewa swą zawartość.
5) Jedno z jąder plemnikowych wnika do komórki jajowej i zespala się z jej jądrem, drugie łączy się z wtórnym
jądrem woreczka zalążkowego – początek bielma (3n). Z zapłodnionej komórki jajowej (zygoty) rozwija się zarodek
(2n chromosomów)
6) Procesm mikrosporogenezy obejmuje tworzenie się pyłku.
Pyłek roślin okrytonasiennych powstaje w pręcikach kwiatów. Pręciki składają się z główki i nitki pylnika. Główkę
tworzą 2 pylniki, każdy zbudowany z dwóch komór. Młoda główka zbudowana jest wyłącznie z komórek
miękiszowych. W starszym stadium różnicują się w większe komórki w czterech rogach dając początek tkance
pramacierzystej spor. Tkanka ta zwana archesporem w dalszym swym rozwoju podlega podziałom mejotycznym
dając tetrady mikrospor. Ścianki oddzielające poszczególne mikrospory powstają pod koniec II podziału
17
mejotycznego.
7) Dojrzałe ziarno pyłku (gametofit męski) zbudowane jest z jądra wegetatywnego i generatywnego oraz ściany
komórkowej (zewnętrznej skutynizowanej warstwy egzyny i wewnętrznej celulozowej intyny).
8) Przez pory w egzynie podczas kiełkowania łagiewka wydostaje się na zewnątrz i kiełkuje na znamieniu słupka.
Jadro generatywne podlega podziałowi mitotycznemu dając dwa jądra plemnikowe.
9) Zarodek i bielmo mają zróżnicowany materiał genetyczny
Okrywa nasienna – powstaje z osłonek zalążka
Obielmo – powstaje z komórek ośrodka zalążka
Owoc – zalążnia słupka
Łupina nasienna – z osłonek zalążka oraz czasami z zewnętrznych warstw nucellusa
17
„Zielone zabarwienie ziarniaków żyta jest uzależnione od dominującego allelu pochodzącego
od formy ojcowskiej – bardzo dobra cecha markerowa (ksenia jakościowa) przy produkcji
materiału nasiennego odmian mieszańcowych żyta – łatwe oddzielanie nasion
mieszańcowych. Ponadto nasiona mieszańcowe charakteryzują się większą masą 1000
ziaren (ksenia ilościowa).”
18
W 1909 Wilhelm Luis Johannsen wprowadził podstawowe pojęcia genetyczne takie jak: gen,
genotyp, fenotyp.
19
W odróżnieniu od genów prokariotycznych większość genów eukariotycznych charakteryzują
się nieciągłą strukturą (schemat), to znaczy że sekwencje kodujące aminokwasy, tzw.
egzony występują na zmianę z obszarami niekodującymi tzw. intronami.
Sekwencje intronowe ulęgają transkrypcji, lecz w trakcie obróbki (dojrzewania, edytowania)
matrycowego RNA zostają wycięte.
20
Średnia wielkość genu określana jest na kilkanaście tysięcy par zasad z
dużymi różnicami między poszczególnymi genami, których rozmiar może
wahać się od kilkuset do kilku milionów par zasad.
Komórki diploidalne mają po dwa genomy, z których jeden pochodzi z gamety
żeńskiej, a drugi z męskiej. Są one homologiczne, jeżeli zawarte w nich
poszczególne pary chromosomów (matki i ojca) mają takie same genetyczne
loci i sekwencje niekodujące, ułożone w takim samym porządku liniowym, a
homeologiczne – jeśli nie wszystkie odcinki w danej parze chromosomów
matki i ojca są pod tym względem identyczne – np. chromosomy płci.
Każdy z chromosomów homologicznych zawiera geny warunkujące te same
cechy. Organizmy zawierające komórkach somatycznych więcej niż dwa
genomy nazywane są poliploidami.
21
Thomas Morgan ogłosił prawo, że geny znajdujące się w chromosomie mają
swoje locus, czyli miejsce występowania i ułożone są liniowo, w określonym
porządku. Morgan wykazał też, że dla każdej cechy istnieją dwa geny: 1 w
chromosomie matczynym i 1 w chromosomie ojcowskim, są one dokładnie
naprzeciw siebie i tworzą parę alleliczną. Geny należące do jednej pary Aa
nazwał Morgan – allelomorfami, gdyż wywołują dwie postacie tej samej cechy.
22
Zamieszczone schematy przedstawiają lokalizację materiału genetycznego u Eukariota i
Prokariota. Informacja genetyczna u organizmów eukariotycznych zawarta jest w jądrze
komórkowym o wielkości kilku, kilkudziesięciu mikrometrów, a u prokariotycznych tworzy
nukleoid. Nośnikami informacji genetycznej u Eukariota są chromosomy. U organizmów
prokariotycznych „chromosom” to pojedyncza, kolista cząsteczka DNA – zwana genoforem,
natomiast u organizmów eukariotycznych chromosom to liniowa cząsteczka DNA. Liczba i
kształt chromosomów są cechami taksonomicznymi.
24
25
Chromosomy są zbudowane z dwóch siostrzanych chromatyd (podłużnych jego części)
połączonych w jednym punkcie centromerem - przewężeniem pierwotnym.
U organizmów eukariotycznych chromosomy z obu stron zakończone są powtarzającą się
sekwencją nukleotydów tworzącą telomer. Skracanie telomerów podczas podziałów komórki
przypuszczalnie prowadzi do starzenia się komórki. Niektóre chromosomy mają na jednym z
ramion przewężenie wtórne – obszar jąderkotwórczy. Część ramienia oddzielona tym
przewężeniem nosi nazwę satelity. Centromer stanowi punkt przyczepu nici wrzeciona
kariokinetycznego w trakcie podziału komórkowego.
26
Rys. R. Galek za Malinowskim
„Chromosom zmienia swój kształt podczas cyklu komórkowego. W luźnej postaci
chromosomu wyróżnić można dwie spiralnie skręcone nici, zwane chromonemami. W
chromonemach można wyróżnić kuliste fragmenty o znacznej zwartości struktury, zwane
chromomerami, które są oddzielone od siebie odcinkami o luźniejszej strukturze. Liczba i
wielkość, a także rozmieszczenie chromomerów są stałe i dzięki temu można identyfikować
poszczególne chromosomy także w trakcie interfazy, między podziałami jądra komórkowego.”
27
„Ze względu na położenie centromeru wyróżnia się chromosomy:
A - metacentryczne – centromer położony w połowie długości chromosomu, ramiona równej
długości
B - submetacentryczne – centromer położony asymetrycznie – jedno ramię dłuższe drugie
krótsze
C - akrocentryczne - centromer położony asymetrycznie - jedno ramię bardzo krótkie
D - telocentryczne – chromosom ma praktycznie jedno ramię
E - chromosom z przewężeniem wtórnym i widocznym tzw. trabantem (satelitą).”
28
29
30
Dwuniciowa cząsteczka DNA (2nm) owija się na oktamerze histonowym tworząc nić
nukleosomową (11nm).
Pierwszym poziomem sfałdowania podstawowej jednostki - nici nukleosomowej, grubości 11
nm, jest wytworzenie wokół siebie wzajemnego splotu, w którym nukleosomy układają się
jeden nad drugim wzdłuż osi włókna (po 6 nukleosomów na każdy skręt splotu).
Następnie w wyniku powstania wzajemnego splotu tej nici formuje się solenoid (30nm), czyli
tzw. właściwe włókno chromatynowe. Zostaje ono pofałdowane w pętle domenowe (300nm).
Pętle są różnej długości i orientują się prostopadle do osi włókna chromatynowego. Zespół
kilkudziesięciu domen (pętli) tworzy grona pierwszego i drugiego rzędu. Domeny można
uznać za jednostki funkcjonalne chromatyny w czasie replikacji. Pętle mogą ulegać dalszej
kondensacji (700nm) występując pod postacią prążków różnej szerokości (strzałka) w
ramionach chromosomów metafazowych (1400nm).
31
32
Genom człowieka - genom gatunku Homo sapiens składa się z 22 siostrzanych, diploidalnych
autosomów, 2 allosomów oraz mtDNA. Chromosomalny genom zawarty jest w jądrze
komórkowym w 23 parach chromosomów. Całkowita ilość informacji genetycznej zawartej w
genomie jest oceniana przez wielu naukowców pomiędzy 30-40 tyś genów. Kompleksowym
badaniem ludzkiego genomu zajmowali się naukowcy w ramach Human Genome Project.
Ludzkie chromosomy są parzyste — jeden chromosom z danej pary pochodzi od matki, a
drugi od ojca — każda osoba posiada w swoim genomie dwie wersje — matczyną i ojcowską
danego genu w danym locus. Zasada ta nie dotyczy genów zlokalizowanych na
chromosomach płci u mężczyzn (X i Y). Chromosom Y zawsze pochodzi od ojca.
Formy genu w danym locus, różnią się sekwencją nukleotydów DNA i nazywane są allelami.
Jeśli oba allele, matczyny i ojcowski w danym locus są identyczne, osoba o takim układzie
alleli określana jest jako homozygotyczna w odniesieniu do danego genu. W przypadku, gdy
występują dwa różne allele w danym locus, to osoba taka określana jest jako
heterozygotyczna.
„Chromosom 1 – największy ludzki chromosom. DNA tego chromosomu liczy około 246
milionów par nukleotydów (dokładnie 245 522 847). Chromosom 1 zawiera około 8%
materiału genetycznego komórki człowieka. Ustalono, że znajduje się na nim 3 141 genów;
liczbę polimorfizmów pojedynczych nukleotydów (SNP) szacuje się na około 740 000. Liczba
chorób genetycznych związanych z mutacją w obrębie chromosomu 1 jest największa wśród
wszystkich chromosomów; obecnie ocenia się ją na około 890. Niektóre z nich to: choroba
Alzheimera, choroba Parkinsona.”
33