Bendroji ir žmogaus genetika

Bendroji ir žmogaus genetika 1 DNR struktūra. Fosfodiesterinė jungtis. Vandenilinė jungtis. DNR (Deoksiribonukleorūgštis) molekulė yra milžiniškas polimeras, kurio struktūriniai vienetai (monomerai) yra deoksiribonukleotidai (dažniausiai vadinami tiesiog nukleotidais), sujungti į ilgas grandines. Kiekvienas deoksiribonukleotidas (1.1 pav.) sudarytas iš trijų rūšių molekulių (tiksliau, jų liekanų): azoto turinčios bazės, monosacharido deoksiribozės ir fosfato (fosforo rūgšties liekanos). Azoto turinčios bazės nukleorūgščių molekulėse yra keturių rūšių: dvi iš jų - citozinas (C) ir timinas (T) - yra pirimidinai, sudaryti iš vieno anglies ir azoto atomų žiedo, o kitos dvi - adeninas (A) ir guaninas (G) - yra purinai, sudaryti iš dviejų žiedų. Čargafo taisyklė - DNR molekulė purino bazių (A + G) visuomet turi tiek pat kiek ir pirimidino bazių (T + C) Taigi DNR sudaro keturių rūšių nukleotidai, sujungti kovalentinėmis fosfodiesterinėmis jungtimis (1.2 pav.). Šių DNR molekulės nukleotidų seka vadinama pirmine DNR struktūra. Ji užrašoma kaip keturių raidžių A, T, C ir G, žyminčių nukleotidų bazes, rinkinys, pvz., ...ATTCATCCGAAATGC.Ir taip iki kelių milijardų raidžių. Jau žinoma, kad žmogaus lytinė ląstelė turi apie 3,3 milijardo nukleotidų bazių. Pirminės DNR struktūros nustatymas vadinamas sekvenavimu. Dabar šį procesą atlieka kompiuterių val­domi automatiniai DNR analizatoriai (sekvenatoriai). 1944-aisiais O. J. Eiveris (O. T. Avery), M. Makartis (M. McCarthy) ir Č. M. Makliaudas (Ch. M. Macleod) išaiškino DNR reikšmę paveldimumui. Kadangi DNR koduoja paveldim1 informaciją, nukleotidai joje turi būti išsidėstę tam tikra tvarka. Be to, ląstelei dalijantis dukterinės ląstelės gauna tapačias DNR molekules. Taigi ši nukieotidų seka turi būti nukopijuojama labai tiksliai. Tapo akivaizdu, kad pirminė DNR molekulės struktūra sudaryta tam tikru tiksliai apibrėžtu būdu. XX amžiaus viduryje daug mokslininkų varžėsi tarpusavyje bandydami nustatyti, kaipgi sudaryta DNR molekulė. Tarp lenktyniaujančiųjų buvo F. H. K. Krikas, Dž. D. Votsonas, R. Franklin (R. Fran-klin) ir M. H. F. Vilkinsas (M. H. F. VVilkins). Dž. Votsonas ir F. H. K. Krikas, surinkę visus tuo metu jau turimus duomenis apie DNR molekulės struktūrą, pirmieji sukūrė erdvinį jos modelį (žr. 1.3 pav., A). 1953-aisiais šiedu at­radėjai paskelbė, kad DNR yra linijinis polimeras, sudarytas iš dviejų lygiagre­čių, bet priešingos krypties polinukleotidinių grandinių, susivijusių viena apie kitą ir sudarančių dviviję spiralę. Vijas vieną prie kitos laiko vandenilinės jung­tys1, atsirandančios tarp priešingų vijų purino ir pirimidino bazių. Taip atras­ta ir aprašyta vadinamoji antrinė DNR molekulės struktūra. Taigi DNR molekulė primena susisukusias virvines kopėtėles (žr. 1.4 pav.), kurių šoninės kartelės sudarytos iš fosfato ir deoksiribozės, o skersinukai - iš bazių porų. Šiose porose bazės yra viena kitą papildančios (komplementarios): vienos bazės erdvinė struktūra dera prie kitos bazės erdvinės struktūros (panašiai kaip dėstinio trinkelės) ir sudaro atitinkamas polinukleotidines grandines. Žvel­giant išilgai kopėtėlių nukleotidų grandinės bazių seka gali būti bet kokia. Ta­čiau kiekviename skersinyje turi būti tik šios poros: timinas (T) - adeninas (A) arba citozinas (C) - guaninas (G). Tokios bazių poros yra komplementa-riosios (papildančiosios). Svarbi DNR molekulės polinukleotidinių grandinių savybė yra tai, kad jos turi kryptį. Priešingų krypčių grandinės susidaro todėl, kad gretimus nukleotidus jungianti fosfodiesterinė jungtis atsiranda tarp vieno nukleotido deoksiribozės C atomo 5' padėtyje ir kito nukleotido de­oksiribozės C atomo 3' padėtyje (1.2 pav.). Taip viename nukleotidų grandinės gale lieka nesujungta su kitu nukleotidų 5' C atomo fosfato grupė (5' galas), o kitame - 3' C atomo -OH grupė (3' galas). DNR molekulės yra sintetinamos naują nukleotidą prijungiant priėjau susintetin­tos grandinės 3' galo (apie tai žr. 1.3 sky­riuje), todėl šio proceso kryptis žymima 5'^3'. Taigi ir nukleotidų grandinės kryptį sutarta žymėti 5'->3', o jai priešingos -papildančiosios grandinės kryptį - 3'->5'. DNR molekulės gali būti linijinės ir žiedo formos (žr. 1.8 pav.). DNR molekulės priklausančios eukariotų ląstelių branduoliui yra linijinės, o priklausančios mito­chondrijų, plastidžių, plazmidžių ir prokariotų ląstelių chromosomoms - žiedo formos. Dž. D. Votsono ir F. H. K. Kriko sukurtas modelis ne tik patvirtino visus anuo metu apie DNR žinomus faktus, bet ir paaiškino svarbiausias paveldėjimo mo­lekulės ypatybes: 1) kaip genetinė informacija ląstelei dalijantis tiksliai pakartojama ir per­duodama dukterinėms ląstelėms; 2) kaip ši informacija perkeliama j baltymo molekulės aminorūgščių seką; 3) kaip ląstelėje gali atsirasti paveldimų genetinės informacijos pokyčių. DNR molekulės ilgis dažniausiai nusakomas nukleotidų porų (bp) skaičiumi Išvestiniai dydžiai: 1 kilobazė (1 kb) yra 1 tūkstantis nukleotidų porų; 1 megabazė (1 Mb) yra 1 milijonas nukleotidų porų. Už DNR struktūros išaiškinimą Dž. D. Votsonui, F. H. K. Krikui ir M. H. F. Vilkin-sui 1962-aisiais buvo suteikta medicinos ir fiziologijos srities Nobelio premija. Kva­pą gniaužianti DNR molekulės struktūros istorija aprašyta Dž. D. Votsono knygoje „Dviguba spiralė ". 2 RNR struktūra Tai ribonukleorūgštis arba RNR (jos molekulių yra ne tik branduolyje, bet ir citoplazmoje). RNR molekulės yra kelių tipų.(iRNR, tRNR, rRNR žiur.1.1 lentelę p.14) RNR daug kuo panaši į DNR. Jos molekulė taip pat yra polinukleotidinė grandinė, o pirminė struktūra - nukleotidų seka. Tačiau skir­tingai nei DNR, RNR nukleotiduose vietoje deoksiribozės yra ribozė, o vietoj timino bazės (T) yra uracilas (U). RNR molekulės nukleotidų grandinės kryptis tokia pat kaip ir DNR molekulės nukleotidų grandinės - 5'->3' (tik RNR mole­kulėje 5' ir 3' atomai yra ne deoksiribozės, bet ribozės). Be to, RNR molekulė dažniausiai sudaryta tik iš vienos nukleotidų grandinės (kai kuriuose virusuose aptikta ir dvigrandė RNR), o jos erdvinė struktūra nėra tokia taisyklinga kaip dvigrandės DNR molekulės. Antra vertus, kai kurie RNR molekulės fragmentai gali būti komplementarūs (papildantys vienas kitą). Kai užsilenkus vienagrandei RNR molekulei jie atsiduria vienas priešais kitą, susidaro dvigrandžiai frag­mentai. Taip sukuriama tam tikra antrinė RNR molekulės struktūra, laikoma vandenilinių jungčių tarp papildančiųjų bazių. Specifinė erdvinė struktūra dėl susidariusių dvigrandžių fragmentų būdinga tam tikrų tipų RNR molekulėms (žr. 1.5.5 skyrių ir 1.17 pav. p.32). RNR molekulė dažniausiai būna linijinė. 3 DNR ir RNR panašumai ir skirtumai. Genetiniai zondai DNR ir RNR panašumai ir skirtumai DNR RNR DNR yra polimeras, sudarytas iš keturių rūšių deoksiribonukleotidų, sujungtų fosfodiesterinėmis jungtimis (pirminė DNR struktūra). RNR yra polimeras, sudarytas iš keturių rūšių ribonukleotidų, sujungtų fosfo­diesterinėmis jungtimis (pirminė RNR struktūra). Deoksiribonukleotidą sudaro azotą tu­rinti bazė (A, T, G, C), monosacharidas deoksiribozė ir fosfatas. Ribonukleotidą sudaro azotą turinti bazė (A, U, G, C), monosacharidas ribozė ir fosfatas. DNR molekulę sudaro dvi viena apie ki­tą apsivijusios lygiagrečios, bet prie­šingų krypčių polinukleotidinės grandi­nės (antrinė DNR struktūra). Kai kurių virusų DNR yra vienagrandė. RNR molekulė dažniausiai yra viena­grandė. Dėl kartais susidarančių dvi­grandžių fragmentų kai kurių tipų RNR molekulių (tRNR, rRNR) antrinė struktūra būna specifinė. Kai kurių virusų RNR mo­lekulės dvigrandės. Eukariotų ląstelių branduolio ir kai kurių virusų DNR molekulės yra linijinės, o mi­tochondrijų, plastidžių, plazmidžių, kai kurių virusų ir prokariotų ląstelėse esan­čių chromosomų - žiedo formos. DNR molekulės j rūšis neskirstomos. DNR molekulės labai ilgos ir gali turėti net kelis šimtus milijonų nukleotidų porų. RNR molekulės dažniausiai yra linijinės. RNR molekulės yra kelių rūšių: iRNR, tRNR, rRNR. RNR molekulės daug mažesnės. Pastaba. DNR ir RNR polinukleotidines grandines sudarantys nukleotidai dažniausiai vadi­nami ir žymimi taip pat kaip ir juose esančios atitinkamos bazės: A, G, C, T, U (kai būtina ribonukleotidus atskirti nuo deoksiribonukleotidų, pastarieji žymimi dA, dG, dC, dT). Ir nukleo­tidų sekas sutarta užrašyti tik šiomis raidėmis (pvz., AAATTGTACCTTGGGCACA). Taigi užrašą visuomet reikia patikrinti pagal kontekstą, kas turima galvoje - visas nukleotidas ar tik jo bazė. Zondai Jei į terpę, kurioje gausu ilgų DNR molekulių, įdėsime trumpų DNR arba RNR molekulių, kurių nukleotidų seka atitiks tam tikrą ilgos DNR molekulės fragmentą, ir DNR denatūruosime, tai renatūruojant trumposios vienagrandės nukleorūgšties molekulės atitiks papildančiąsias sekas ir hibridizuosis (susijungs) su jomis. Pa­žymėjus hibridizavimui naudojamas trumpąsias nukleorūgšties (DNR arba RNR) molekules (pvz., radioaktyviais izotopais arba fluorescuojančiomis medžiagomis), galima nustatyti, kur susidarė hibridas, t. y. kurioje didžiosios DNR molekulės vietoje yra atitinkama nukleotidų seka. Taip pažymėtos nukleorūgšties molekulės vadinamos genetiniais (arba molekuliniais) zondais. Jie plačiai taikomi molekulinėje biologijoje (genų kartografavimas), molekulinėje citogenetikoje (chromosomų mikroanomalijų nustatymas, chromosomų tapymas), genų tech­nologijoje (bakterijų klono, turinčio dominantį geną, suradimas tarp dešimčių tūkstančių kitų klonų - žr. II dalies 3.1 skyrių). 4 DNR ląstelėje. Jos susivijimo lygiai eukariotų ląstelės branduolyje DNR molekulė dažniausiai vaizduojama kaip ištempta dviguba spiralė. Tačiau tokia ji tebūna schemose. Gyvų organizmų ląstelės (juolab ląstelės branduolio) skersmuo daug mažesnis už ištiestos DNR molekulės ilgį, todėl ši neišvengia­mai turi būti stangriai susivijusi. Eukariotų ląstelės branduolyje yra nuo keleto iki kelių šimtų linijinių kelių centimetrų ilgio DNR molekulių, kurių kiekviena su baltymų, RNR ir kai kurio­mis kitomis molekulėmis sudaro atskiras chromosomas (žr. 1.3 lentelę p.16). Žmo­gaus ląstelės dvigubojo chromosomų rinkinio DNR bendras ilgis yra apie 2,2 r, o daugumos ląstelių branduolio skersmuo - tik keli mikrometrai. Taigi kad tilptų branduolyje, DNR turi būti susivijusi, tačiau taip, kad galėtų būti nu­rašoma ir dvigubėti, o ląstelei dalijantis dukterinės ląstelės gautų tapačius chro­mosomų rinkinius. Eukariotų ląstelės branduolyje esančioms DNR molekulėms būdinga kelių lygių spiralizacija (1.5 pav. p.17). Pirmiausia dviguba DNR spiralė apsiveja apie šerdį, sudarytą iš šarminių baltymų histonų, ir susiformuoja nukleosoma. Apie kiekvieną histonų šerdį, sudarytą iš 8 molekulių (po 2 molekules 4 rūšių histonų H2A, H2B, H3 ir H4), apsivynioja apie 146-240 nukleotidų porų DNR atkarpa, o nukleosomas jungia 20-60 nukleotidų porų ilgio DNR fragmentas (tarpinė arba jungiančioji DNR). Elektroninės mikroskopijos vaizduose tokia gija atrodo kaip karoliukai ant siūlo. Hl histonas sąvei­kauja su tarpine DNR, glaudindamas nukleosomas ir toliau kompaktizuodamas DNR. Susidarant solenoidams 10 nm skersmens nukleosomų gija storėja iki 30 nm. Sole-noidų gija dalyvaujant įvairiems baltymams toliau vingiuojas! sudarydama chromatino kilpas, pritvirtintas prie chromosomos nehistoninių baltymų karkaso. Kilpų dydis labai įvairus, tačiau vidutiniškai vienoje kilpoje yra apie 100 000 nukleotidų porų didumo DNR atkarpa. Taip susukta ir suvingiuota DNR tesiekia 1/10 000 ištiestos DNR molekulės ilgio. Ląstelei dalijantis chromosoma ypač susivijusi ir maždaug 100 000 kartų trumpesnė už ištiestą jos DNR molekulę. Interfaziniame ląstelės branduolyje, kai DNR labiausiai išsivyniojusi, aktyviau­siai funkcionuojančių jos dalių tankis mažiausias (euchromatinas), o neaktyvios dalys yra daug tankesnės (heterochromatinas). 5 DNR dvigubėjimas (replikacija) prokariotuose ir eukariotuose Dž. D. Votsono ir F. H. K. Kriko pasiūlytas dvigubos spiralės modelis paaiškina kaip genetinė informacija perduodama iš vienos ląstelių kartos kitai. Prieš ląstelės dalijimąsi jos DNR molekulių skaičius turi padvigubėti. Kadangi dvigubos DNR spi­ralės polinukleotidinių grandinių bazių poros yra komplementariosios (papildančiosios), atsiskyrusios DNR nukleotidų grandinės tampa matricomis naujų grandini sintezei (1.6 pav. p.18). Taigi DNR dvigubėjimas yra procesas, kuriam vyksta pagal vienos deoksiribonukleotidų grandinės seką sintetinama ant (papildančioji) deoksiribonukleotidų grandinė. Procesui pasibaigus susidaro dvi tapačios dvigrandės DNR molekulės, kurių kiekvienoje viena gran­dinė yra sena, o kita - nauja (1.6 pav., 1.7 pav.). Toks DNR dvigubėjimas yrs pusiau konservatyvus. DNR dvigubėjimą 1958-aisiais eksperimentais jrodė M. Meselsonas (M. Meselson) ir F. Stalis (F. Stahl). Tačiau pačią DNR dvigubėjimo idėją kur kas anksčiau suformulavo Dž. D. Votsonas ir F. H. K. Krikas. Visą DNR dvigubėjimo procesą galima suskirstyti j tris etapus: 1. Išsivyniojimas. Veikiant fermentui DNR girazei išvyniojama motininės DNR molekulės dalis. Kitas fermentas - DNR helikazė atskiria jos grandines, -vandenilinės jungtys tarp papildančiųjų bazių nutrūksta (1.7 pav.). Susidaro dvigubėjimo pūslelė, kurios priešinguose galuose yra V raidės formcs dvigubėjimo šakutės (žr. 1.8 pav.). 2. Naujų nukleotidų prijungimas. Katalizuojant fermentui DNR polimerazei nauji nukleotidai prijungiami prie sintetinamos DNR molekulės grandinės 3' -OH galo papildymo principu: prieš matricos (motininės grandinės) T nukleotidą į naują grandinę jungiamas A nukleotidas, prieš C - jungiamas G ir atvirkščiai (1.6 pav.). 3. Susijungimas. DNR molekulės (arba jos dalies eukariotų ląstelėse) dvigubėji-mas pasibaigia, kai susitinka priešpriešiais judančios dvigubėjimo šakutės. Tada fermentas DNR ligazė susintetintų DNR grandinių arba atitinkamųjų fragmentų 5' ir 3' galus sujungia j vientisą DNR grandinę. DNR dvigubėjimas prasideda ne bet kurioje DNR molekulės vietoje, o ten, kur yra tam tikra nukleotidų seka, vadinama dvigubėjimo pradžios signalu (žr. 1.8 pav. p. 20). DNR dvigubėjant į naują grandinę atsitiktinai gali pakliūti ne tas nukleotidas. Tokios klaidos gali pakeisti genetinę informaciją, nes nauja DNR molekulė nebe­bus tiksli senosios molekulės kopija. Todėl DNR polimerazė sintetindama naują nukleotidų grandinę nuolat kontroliuoja, ar jos 3' gale esantis nukleotidas yra komplementarus DNR matricai. Aptikusi, kad ką tik prie grandinės prijungė ne-komplementarų nukleotidą, DNR polimerazė jį iš karto atmeta. Eukariotų ir prokariotų DNR dvigubejimas, dalyvaujant fermentams DNR poli­merazei ir DNR ligazei, vyksta šiek tiek skirtingai. Prokariotų (bakterijų) žiedo formos DNR molekulės dvigubejimas prasideda tik viename taške ir gali vykti viena kryptimi arba priešingomis kryptimis (1.8 pav., A), kol viena kryptimi judanti dvigubėjimo šakutė sugrįžta j dvigubėjimo pradžią arba priešingomis kryptimis judančios dvigubėjimo šakutės susitinka. DNR dvigubėjimo greitis bakterijose labai didelis ir siekia net 106 nukleotidų porų per minutę (viduti­niškai prokariotuose - 500 nukleotidų porų per sekundę). Eukariotų chromosomose linijinės DNR molekulės dvigubejimas prasideda iš karto daugelyje taškų (1.8 pav., B). Susidariusios DNR dvigubėjimo pūslelės plečia­si abiem kryptimis, kol susitinka su dvigubėjimo procesu, prasidėjusiu gretimoje pūslelėje. Eukariotų DNR dvigubejimas vyksta lėčiau nei prokariotų. Antai žmo­gaus DNR dvigubėja 50 nukleotidų porų per sekundę greičiu. Lytinė žmogaus ląstelė turi daugiau nei 3 milijardus nukleotidų porų. Tačiau dėl daugybės dvi­gubėjimo pradžios taškų visas DNR dvigubėjimo procesas įvyksta neįtikėtinai grei­tai - vos per kelias valandas. 6 Dvigrandės DNR sintezė 5‘-> 3‘ kryptimi DNR polimerazė pagal vienagrandės DNR matricą sintetina naują DNR grandinę 5'->3' kryptimi, t. y. prijungdama naujo nukleotido (deoksinukleozidtrifosfato) 5' fosfatą prie jau susintetintos DNR grandinės paskutiniojo nukleotido laisvos 3' -OH grupės (1.6 pav.). Šis fermentas negali sintetinti DNR tik pagal vienagrandę matricą - reikalingas nors trumpas dvigrandis fragmentas su laisva 3' hidroksilo grupe, prie kurios prijungia­mas naujas nukleotidas. DNR dvigubėjimo pradžioje tokį dvigrandį fragmentą - RNR pradmenį (oligoribonukleotidą) susintetina kitas fermentas RNR polimerazė, iškarto sin­tetinanti oligoribonukleotidą pagal vienagrandės DNR matricą. Antra vertus, DNR molekulės grandinės yra priešingos krypties. Vienos grandinės kryptis yra 5'->3', o kitos - 3'3' kryptimi, o kita -3'->5' kryptimi. Vienos naujos grandinės ištisinei sintezei 5'-> 3' kryptimi kliūčių nėra. Tačiau kitą grandinę tektų sintetinti 3' ->5' kryp­timi, bet šia kryptimi nukleotidai negali būti prijungiami. Kaip tada vyksta šios DNR grandinės sintezė? Taip kaip ir turi vykti - 5'-> 3' kryptimi. Eksperimentais įrodyta, kad viena DNR grandinė sintetinama greičiau, tad ją imta vadinti pirmaujančiąja. Antroji grandinė, pavadinta vėluojančiąja, sintetinama lėčiau ir ne ištisai, bet 100 -1 000 nukleo­tidų ilgio gabalėliais. Šie gabalėliai juos atradusio mokslininko R. Okazakio garbei buvo pavadinti Okazakio fragmentais. Kaip vyksta šis procesas? Kai DNR helikazė atskiria vis naujus vienagrandžius DNR fragmentus, pirmaujančioji DNR gran­dinė be kliūčių sintetinama 5' -> 3' kryptimi pagal 3' 3' matricos atkarpa tam tikrą laiką dar lieka vienagrandė. Netrukus prie šios matricos greta vei­kiančios helikazės prisitvirtina tam tikra RNR polimerazė ir 5' -> 3' kryptimi susintetina pradmenį - oligoribonukleotidą (atsiranda dvigrandė atkarpa, sudaryta iš DNR matri­cos ir RNR). RNR polimerazę pakeičia DNR polimerazė ir nuo oligoribonukleotido 3' galo toliau sintetina papildančiąją DNR grandinę, kol pasiekia prieš tai susintetinto RNR pradmens 5' galą. Tada RNR fragmentas pašalinamas, ir DNR polimerazė toliau sintetina naująjį DNR fragmentą iki ankstesniojo DNR fragmento 5' galo. Galiausiai fermentas DNR ligazė sujungia šių fragmentų galus fosfodiesterine jungtimi į vientisą grandinę (1.7 pav.). 7 Genas – DNR molekulės dalis. Genų struktūros ypatumai Genas - tai genetinė informacija, glūdinti DNR nu­kleotidų sekoje; genai yra tik nedidelės DNR mole­kulių atkarpos. Genai būna dviejų rūšių - struktūriniai ir reguliuojantieji. geno pagrindas - tai chromo­somoje esanti DNR molekulė. Struktūrinis genas (dažniausiai vadinamas tiesiog genu) - tai DNR mole­kulės dalis, lemianti tam tikros polipeptidinės grandinės arba tam tikros RNR sintezę. Svarbiausia genų, lemiančių baltymų sintezę, dalis yra koduojančioji. Joje glūdi informacija apie tam tikro baltymo aminorugščių seką. Prokariotų genų koduojančioji dalis yra ištisinė, o eukariotų daugumos genų struktūra daug sudėtingesnė. 7-ajame XX amžiaus dešimtmetyje buvo pastebėta, kad į kai kurių eukariotų genų baltymą koduojančią dalį įsiterpusios nekoduojančios nukleotidų sekos dalija ją į fragmentus. Tokie koduojantys fragmentai buvo pavadinti egzonais, o tarp jų įsiterpę nekoduojantys fragmentai - intronais (žr. euka­riotų geno schemą, 1.9 pav. p. 21). Vėliau paaiškėjo, kad tokia struktūra būdinga dau­gumai eukariotų genų. Vieno geno intronų skaičius gali įvairuoti nuo 1 iki daugiau nei 100. Egzonų ir intronų dydis taip pat įvairuoja. Kai kurie intronai būna kur kas didesni nei egzonai. Viename iš žmogaus NF1 geno intronų aptikti dar 3 nedideli genai. Antra vertus, kai kurie eukariotų genai (pvz., histonų genai) in­tronų neturi. Reguliuojantieji genai tiesiogiai nekoduoja genetinės informacijos. Tačiau su šių genų nukleotidų sekomis sąveikauja reguliavimo baltymai, būtini kiekvieno struktūrinio geno veiklai ir ją kontroliuojantys. Reguliuojantieji genai dažniausiai vadinami reguliuojančiosiomis nukleotidų sekomis, reguliuojančiosiomis DNR sri­timis arba reguliuojančiaisiais elementais - tai promotoriai, stiprintuvai, slopin­tuvai, ribiniai elementai, atsako elementai ir kt. (daugelis jų būdingi tik eukariotams). Ir prokariotų, ir eukariotų struktūrinių genų veiklą apsprendžia vadinamasis promotorius. Tai tam tikra nukleotidų seka (tiksliau, tam tikrų nukleo­tidų sekų derinys), išsidėsčiusi ties struktūrinio geno 5' galu, su kuriuo sąveikauda­mas fermentas RNR polimerazė pradeda RNR sintezę (žr. 1.5.1 ir 1.5.4 sk.). Eukariotų geno ir jo veiklą reguliuojančių nukleotidų sekų schema patei­kiama 1.9 pav. Genų skaičius skirtinguose organizmuose labai įvairus. Jei virusai jų teturi nuo kelių dešimčių iki kelių šimtų, tai žinduoliai - net kelias dešimtis tūkstančių. Organizmo viengubojo genų rinkinio visuma, būdinga visai biologinei rūšiai, vadinama genomu. Apibendrinant dera pastebėti, kad biologinei rūšiai būdin­ga viengubojo chromosomų rinkinio DNR molekulių (t. y. jų nukleotidų sekų) visuma. Tam tikra genetinė informacija gali ir nepriklausyti organizmo geno­mui. Pavyzdžiui, genų esama ir plazmidėse. Tačiau jie nėra tą plazmidę turinčio organizmo genomo dalis. 8 Žmogaus branduolio genomo charakteristika Organizmo viengubojo genų rinkinio visuma, būdinga visai biologinei rūšiai, vadinama genomu (branduolio genome yra daug įvairių DNR nukleotidų sekų, kurios nekoduoja nei baltymų, nei RNR. ) Unikalios nukleotidų sekos - tai genai (tarp jų intronai ir kitos nekoduo­jančiosios genų dalys) ir genams giminingos nukleotidų sekos. Naujausių tyrimų duomenimis žmogaus ir kitų žinduolių genomuose yra apie 40 000-50 000 struktūrinių genų, tačiau jų koduojančiosios dalys tesudaro nuo 2,5% iki 10% viso genomo. Eukariotų genai skiriasi tarpusavyje jau minėtais struktūros ypatu­mais, dydžiu bei funkcijomis. Be to, vieni jų unikalūs, kiti sudaro giminingų genų šeimas, kurių nariai išsidėstę grupėmis (pvz., hemoglobino baltymo globino genai) arba pasklidę po įvairias chromosomas (pvz., raumenų baltymo aktino genai). Neretai pasitaiko ir vadinamųjų netikrųjų genų (pseudogenų). Jie atsirado iš normalių genų, kurie ilgainiui pakito (evoliucionavo) prarasdami veiklumą. Pasikartojančiosios nukleotidų sekos, kurios būna kelių tipų. Jos sudaro pagrindinę žmogaus genomo dalį. 1. Paeiliui pasikartojančios nukleotidų sekos. Tai dideli trumpų (nuo vieno iki daugiau nei šimto nukleotidų porų) kartotinių nukleotidų sekų blokai: mikropalydovinė DNR (keleto nukleotidų porų pasikartojimas), minipalydovinė DNR (chromosomų telomerose ir kitose chromosomų dalyse), palydovinė DNR (chromosomų centromerų srityse). Šių nukleotidų sekų pasikartojimų skaičius labai individualus, todėl jos taikomos kaip žymenys teismo ekspertizėje as­mens tapatybei arba biologinei giminystei (kaip antai tėvystei) nustatyti bei diagnozuojant paveldimąsias ligas. 2. Įterptinės nukleotidų sekos yra išsibarsčiusios po visą branduolio genomą. Jos skirstomos į dvi pagrindines grupes: trumpi (kelių šimtų nukleotidų porų) įterptiniai branduolio elementai ir ilgi (kelių tūkstančių nukleotidų porų) įterptiniai branduolio elementai. Šios nukleotidų sekos kilusios iš klajojančių genų transpozonų, kurie įsiterpdami į vis naujas genomo vietas per dešimtis milijonų organizmų evoliucijos metų lėmė šimtų tūkstančių genomo elementų kopijų atsiradimą. Įterptinės nukleotidų se­kos svarbios evoliuciniams rūšių tyrimams. 9 Žmogaus genomo sandara 10 Žmogaus mitochondrijų genomo organizacijos ypatumai Kiekviena eukarioto ląstelė gali turėti tūkstančius mitochondrijų, o kiekvieno­je mitochondrijoje aptinkamos kelios žiedo formos dvigrandės DNR molekulės. Tai mitochondrijų DNR (mtDNR). Ji sudaryta iš maždaug 16 500 nukleotidų porų. MtDNR šiek tiek skiriasi nuo branduolio DNR, ir mitochondrijų genomas pana­šesnis į prokariotų genomą. Mitochondrijų genomas labai vientisas - beveik nėra pasikartojančiųjų nukleotidų sekų ir intronų. Žmogaus mtDNR koduoja dvi ribosomines RNR, 22 transportines RNR ir 13 baltymų, labai svarbių ląstelės energetiniams procesams. Zigotoje esančios mitochondrijos - taigi ir visos mtDNR molekulės - yra išskiriamos tik iš kiaušialąstės citoplazmos, nes subrendę spermatozoidai ci-toplazmos (tuo pačiu ir mitochondrijų su mtDNR molekulėmis) beveik neturi. Tad tiriant mtDNR įvairovę, galima analizuoti žmonijos moteriškąją paveldimu­mo liniją, naminių gyvulių bei kultūrinių augalų kilmę. 11 Geno raiška ir jos etapai Visuma genetinių procesų, pagrindžiančių organizmo požymio formavi­mąsi pagal geno DNR nukleotidų sekoje užkoduotą informaciją, vadinama geno raiška Bet kurio gyvo Žemės organizmo požymių visumos pagrindas yra įvai­riausios baltymų molekulės ir jų atliekamos funkcijos. Informacija apie šių molekulių pirminę struktūrą – aminorūgščių seką glūdi DNR molekulės pir­minėje struktūroje - nukleotidų sekoje. Tačiau eukariotų DNR neprasi­skverbia pro branduolio membraną, o baltymų sintezė vyksta citoplazmoje esančiose ribosomose. Taigi tarp ląstelės branduolio DNR ir ribosomos rei­kalingas tarpininkas. Šis tarpininkas - tai informacinė ribonukleorūgštis (iRNR). Nors prokariotai neturi branduolio, atskiriančio DNR nuo citoplazmos, genetinė informacija iš DNR taip pat pasiekia ribosomas pro iRNR molekules. Pagrindiniai geno raiškos etapai yra: 1) genetinės informacijos nurašymas nuo geno DNR j RNR molekulę (t. y. RNR sintezė): 2) polipeptido sintezė pagal nurašytą nuo geno j iRNR genetinę informaciją. Tarp jų įsiterpia dar vienas etapas - RNR molekulės brendimas. 12 Genetinės informacijos nurašymas (transkripcija) Genetinės informacijos nurašymas (transkripcija) yra procesas, per kurį pagal dvigrandės DNR molekulės vienos grandinės nukleotidų seką sintetinama viena ribonukleotidinė grandinė (RNR molekulė). Informacijai iš geno j ribosomą pernešti reikalinga iRNR yra nukopijuojama nuo atitinkamų genų. Tokiu pat būdu yra perrašomos ir visų kitų tipų RNR molekulės (žr. 1.1 lentelę p. 14). Ribonukleotidų grandinės sintezę iš ribonukleozidtrifosfatų katalizuoja2 (išpina DNR molekulės dvigrandę struktūrą) fermentas RNR polimerazė (1.14 pav.). RNR sintezė prasideda, kai RNR polimerazė prisitvirtina prie DNR promotoriaus ties struktūrinio geno pradžia (t. y. jo 5' galu) ir atskiria dalį DNR molekulės grandinių vieną nuo kitos. Viena šių grandinių, toji, kurios 5' gale yra promotorius, tampa matrica RNR sintezei. RNR sintezės procesas pasibaigia, kai RNR polimerazė atsi­traukia nuo DNR (dažniausiai tai atsitinka, kai RNR polimerazė nuslenka iki kopi­juojamojo DNR fragmento - geno 3' galo ir pasiekia tam tikrą nukleotidų seką, vadinamą baigmės signalu) ir atsiskiria nuo baigtos sintetinti RNR molekulės. Prokariotų kopijavimo baigmės signalai (terminatoriai) jau yra ištirti. Apie analogiškus eukariotų genų signalus žinoma kur kas mažiau. RNR sintezė panaši į DNR sintezę, tačiau esama ir skirtumų 13 Pagrindiniai DNR ir RNR sintezės panašumai ir skirtumai DNR RNR Eukariotų ląstelėse ir DNR, ir RNR sintezė vyksta branduolyje (išskyrus mitochondri­jas ir plastides). Ir DNR, ir RNR sintezė vyksta 5' -> 3' kryptimi komplementarumo (struktūrų atiti­kos) principu pagal vienagrandės DNR matricą. Nukleotidai sujungiami fosfodieste-rine jungtimi. DNR sintetinama iš deoksinukleozidtri- fosfatų dATP, dTTP, dCTP ir dGTP. RNR sintetinama iš nukleozidtrifosfatų ATP, UTP, CTP ir GTP. Papildančiosios nukleotidų poros tarp DNR matricos ir sintetinamos deoksiri-bonukleotidinės grandinės: A-T, T-A, G- C C-G Papildančiosios nukleotidų poros tarp DNR matricos ir sintetinamos ribonukleo-tidinės grandinės: T (DNR)-A, A (DNR)-U, C-G, G-C DNR sintezę katalizuoja fermentai DNR polimerazės. RNR sintezę katalizuoja fermentai RNR polimerazės. DNR polimerazė negali pradėti DNR grandinės sintezės tik pagal vienagran-dę matricą - būtinas pradmuo RNR polimerazė gali pradėti RNR gran­dinės sintezę pagal vienagrandę mat­ricą. Pirmaujančioji DNR grandinė sintetina­ma vientisai, o atsiliekančioji - Okaz-kio fragmentais. RNR molekulė sintetinama vientisai DNR dvigubėjant nukopijuojama visa DNR molekulė. Per RNR sintezę (nurašymą) nukopijuo­jama tik nedidelė DNR grandinės dalis. Dažniausiai tai vienas genas, nors pro­kariotų operonų (žr. 1.5.4 skyrių) ir kai kurie eukariotų genai (tRNR, rRNR) nu­kopijuojami iš karto po kelis. DNR dvigubėjant kopijuojama ypač tiks­liai: DNR polimerazė pati aptinka ir ištaiso savo klaidas. J sintetinamą DNR grandinę per klaidą patenka tik vienas iš 109-101' nukleotidų. RNR polimerazė savo klaidų netaiso, todėl RNR sintezės klaidos daug dažnes­nės. . 14 RNR brendimas Susintetintos įvairių tipų RNR molekulės dažniausiai dar nėra veiklios. Jos turi įgyti tam tikrą struktūrą, t. y. subręsti, kad galėtų atlikti specifines funkci­jas (žr. 1.1 lentelę p. 14). Brendimo laikotarpiu jos tam tikru būdu pakeičia­mos: specialūs fermentai „nukerpa" nereikalingas susintetintos RNR molekulės dalis arba prijungia papildomas, kovalentiškai pakeičia kai kuriuos nukleotidus. Prokariotų ir eukariotų ląstelėse bręsta visos tRNR ir rRNR, o iRNR brendimas būdingas tik eukariotams. Plačiau išnagrinėkime eukariotų iRNR molekulės brendimą (1.15 pav.). Ne­subrendusi iRNR molekulė vadinama pirminiu nuorašu, pre-iRNR arba heteroge­nine branduolio RNR (hbRNR). Pirmieji jos brendimo etapai neatsiejami nuo nurašymo, nes prasideda pačioje jo pradžioje. Prie ką tik susintetinto pre-iRNR molekulės 5' galo prijungiamas kiek pakeistas guanino nukleotidas - vadinamo­ji kepurė, sauganti sintetinamos molekulės 5' galą nuo ardančių (katalizuojančių) fermentų. Be to, ji nurodo mažajam ribosomos subvienetui, kur prisijungti prie iRNR molekulės . Pre-iRNR sintezė vyksta tol, kol RNR polimerazė DNR matricos grandinėje pasiekia tam tikrą nukleotidų seką, vadina­mą poliadenilinimo signalu (dažniausiai ji būna ir nurašymo baigmės signa­las). Paskui prie iRNR grandinės 3' gale dar prijungiama apie 100-200 adenino nukleotidų, t. y. susidaro vadinamoji iRNR molekulės poli-A uodega. Ši uodega apsaugo molekulės galą, priešingą kepurei, nuo fermentų poveikio. Galiausiai DNR grandinė ir RNR polimerazė atsiskiria nuo susintetintos pre-iRNR nukleotidų grandinės. Pastebėtina, kad baigta sintetinti pre-iRNR molekulė dar nėra baigusi bręsti. Prieš jai persikeliant iš branduolio į citoplazmą, dar turi įvykti svarbiausias iRNR molekulės brendimo etapas - sukirpimas. Pirminis iRNR nuorašas yra lygiai tokio pat ilgio kaip ir DNR grandinė, nuo kurios jis buvo nurašomas. Eukariotų ląstelių pirminiuose iRNR nuorašuose, kaip ir atitinkamuose genuose, į nukleotidų sekas, pagal kurias bus sintetinamas bal­tymas, yra įsiterpę nekoduojantys intronai, padalijantys koduojančiąja nukleoti­dų seką j egzonus (1.9 pav., p. 21; 1.15 pav.). Tam tikri branduolio fermentai iškerpa intronus ir sujungia gretimų egzonų galus (1.15 pav.). Taip galiausiai suformuojama subrendusi veikli iRNR molekulė, pro branduolio membranos po­ras iškeliaujanti j citoplazmą, kur ribosomose vyksta polipeptidų sintezė. 15 Genetinis kodas. Jo ypatybės. Genetinio kodo lentelės Kaip sintetinamo polipeptido aminorugščių seka atitinka geno DNR nukleotidų (kodonų) seką, nusako genetinis kodas. Kitais žodžiais tariant, genetinį kodą galima būtų pavadinti žodynu genetinės informa­cijos - nukleotidų sekos „žodžiams" - kodonams išversti į „baltymų kalbos žo­džius" - polipeptido aminorugštis ir „skyrybos ženklams sudėti" - polipeptido sintezės pradžios ir pabaigos signalams pažymėti. Genetinis kodas gali būti pateikiamas ir diagrama, ir lentele Genetinio kodo ypatybės: 1.Genetinis kodas yra universalus, t. y. visų organizmų vienodas. (Pastaba. Eukariotų mitochondrijų DNR ir prokariotų genetinis kodas truputį skiriasi nuo eukariotų branduolio DNR kodo.) 2. Genetinis kodas yra išsigimęs, t. y. daugumą aminorūgščių koduoja daugiau nei vienas kodonas. 2. Genetinis kodas yra nesanklotinis, t. y. kodonai nepersidengia. 3. Genetinis kodas turi baltymo sintezės pradžios signalą AUG kodoną ir pabaigos signalus - baigmės kodonus UAA, UGA ir UAG. 16 Transportinė RNR (tRNR). Ribosoma tRNR yra nedidelės (sudarytos iš 73-93 nukleotidų) poliribonukleotidinės gran­dinės. tRNR nukleotidų grandinei susivijus, kai kurie jos fragmentai atsiduria prieš komplementariąsias (papildančiąsias) nukleotidų sekas, ir tarp atitinkamų ba­zių atsiranda vandenilinės jungtys (1.17 pav., p. 32). „Nesusiporavę" tRNR mole­kulės fragmentai sudaro keturias kilpas. Tai antrinė tRNR struktūra, primenanti dobilo lapą. Suartėjus gretimoms molekulės dalims, tRNR galiausiai įgyja tre­tinę - apverstos L raidės struktūrą. Aminorugštis prisijungia prie tRNR mo­lekulės 3' (akceptoriniame) gale esančio nukleotido ribozės. Kilpoje, esančioje priešingoje nei akceptorinis galas erdvinės struktūros dalyje, yra išsidėstęs an­tikodonas. Tai 3 nukleotidai, komplementarūs konkrečiam iRNR kodonui. tRNR sintetinama ir bręsta branduolyje, o aminorūgštys prijungiamos citoplazmoje. Tai atlieka specifiniai fermentai (jų yra 20 - po 1 kiekvienai AR). Kiekvienas šių fermentų tenka tik vienai iš kelių galimų tRNR ir sujungia ją su atitinkama AR-imi į aminoacil-tRNR. Specialūs baltymai padeda aminoacil-tRNR nukeliauti į ribosoma, kur vyksta baltymo sintezė. Kaip tRNR išverčia nukleotidų sekos kalbą į AR-ių sekos kalbą? 1) kiekviena tRNR molekulė turi specifinį antikodoną, kuriuo „perskaito" jos atžvilgiu komplementarų iRNR molekulės kodoną; 2) prie tam tikros tRNR molekulės gali būti prijungta tik 1 aminorugštis -būtent ta, kurios kodoną atpažįsta tRNR antikodonas (įsidėmėtina! - 1 amino­rugštis gali būti transportuojama daugiau nei 1 tRNR!). Ribosoma (1.18 pav.) yra rRNR (žr. 1.1 lentelę p. 14) ir baltymų kompleksas. Ribosomos, esančios prokariotų ir eukariotų ląstelėse, šiek tiek skiriasi. Riboso­ma sudaro du subvienetai - didysis ir mažasis. rRNR molekulės yra nukopijuoja­mos nuo atitinkamų DNR genų. Kartu su ribosomų baltymais jos sudaro riboso-mų subvienetus, kurie keliauja iš branduolio į ląstelės citoplazmą nepriklausomai vienas nuo kito. Vykstant polipeptido sintezei didysis ir mažasis ribosomos sub-vienetas sudaro ribosoma, o sintezei pasibaigus vėl atsiskiria. 17 Pagrindiniai baltymo sintezės etapai Baltymo sintezė yra procesas, kurio metu pagal informaciją, glūdinčią DNR nukleotidų sekoje ir nurašytą j iRNR molekulę, iš aminorūgščių sintetinama polipeptidinė grandinė Pagrindiniai baltymo sintezės etapai f 1. Polipeptidinės grandinės sintezės pradžia 1.1. Eukariotų ląstelėse ribosomos mažasis subvienetas sąveikauja su kepure pažymė­tu iRNR 5' galu ir slysta iRNR molekule 5'-> 3' kryptimi iki pirmojo pradžios kodono AUG. Prokariotų iRNR molekulės 5' gale kepurės neturi, tačiau ribosomos atpažįsta specifinę šių molekulių 5' dalies antrinę struktūrą. 1.2. Dalyvaujant pradžios veiksniams prie AUG kodono prijungiama pradedančioj! Met-tRNR (t. y. aminoacil-tRNR, gabenanti metioniną, kurio -NH2 grupė užblokuota). Met-tRNR antikodonas yra komplementarus iRNR AUG kodonui. 1.3. Prie mažojo ribosomos vieneto prisijungia didysis ribosomos subvienetas, ir susi­formuoja aktyvi ribosoma, kurioje yra trys tRNR buvimo centrai: acilinis (A) - amino­acil-tRNR prisijungimo vieta, peptidinis (P) - tRNR su augančia polipeptidine grandine buvimo vieta ir išėjimo (I) - laisvos tRNR buvimo vieta. Polipeptido sintezės pradžioje P centre yra Met-tRNR. 2. Polipeptidinės grandinės ilgėjimas 2.1. Dalyvaujant ilgėjimo veiksniams j A centrą įterpiama nauja aminoacil-tRNR, kurios antikodonas komplementarus antrajam iRNR kodonui (1.19 paveiksle - tai alaniną ga­benanti Ala-tRNR). 2.2. Kai ribosomos P centre yra Met-tRNR, o A centre - Ala-tRNR, jų aminorūgštys atsiduria ribosomos fermento peptidiltransferazės srityje viena greta kitos. Peptidiltrans-ferazė katalizuoja transpeptidacijos reakciją: Met perkeliamas ant Ala, ir tarp Met karboksilo grupės ir Ala amino grupės susidaro pirmoji peptidinė jungtis (polipeptidi­ne grandinė ilgėja C galo kryptimi, nes pirmojo Met -NH2 grupė visada būna užblokuo­ta). Taip susidaro dipeptidas, prijungtas prie antrosios tRNR, o pirmoji tRNR lieka laisva. 2.3. Ribosoma pasislenka 5'-> 3' kryptimi per vieną iRNR kodoną. Taip I centre atsidu­ria laisvoji tRNR, P centre - tRNR su baigtu sintetinti dipeptidu, o A centras ties naujuoju iRNR kodonu lieka laisvas. 2.4. Iš I centro pašalinama laisvoji tRNR. 2.1-2.4 žingsniai sudaro ciklą, kuris kartojasi tol, kol ribosoma pasiekia vieną iš baig­mės kodonų. Vėlesni ciklai nuo pirmojo skiriasi tuo, kad vykstant 2.1 ir 2.2 poslinkiams ribosomos P centre esanti tRNR turi ne vieną aminorūgštį, bet kaskart ilgesnę amino-rūgščių grandinę (sintetinamą polipeptidą). Ribosomos peptidiltransferazės zonoje viena greta kitos visada atsiduria P centre esanti peptidil-tRNR paskutinioji (galinė C) aminorūgštis ir A centre esanti aminoacil-tRNR aminorūgštis. Prie P centre esančios tRNR prijungtas polipeptidas perkeliamas prie A centre esančios aminoacil-tRNR aminorūgš-ties, ir sudaroma nauja peptidinė jungtis. Polipeptido sintezė vyksta dideliu greičiu - vos per vieną sekundę susintetinamas 15-os aminorūgščių polipeptidas. 3. Polipeptidinės grandinės sintezės pabaiga 3.1. Kai ties ribosomos A centru atsiduria vienas iš baigmės kodonų (UAG, UAA, UGA), polipeptido sintezė sustoja, nes nėra aminoacil-tRNR, kurios antikodonas būtų jam komplementarus. 3.2. Baigmės kodonus atpažįsta baltymai, vadinami atpalaidavimo veiksniais. Tokiam veiksniui atsidūrus A centre, nuo paskutiniosios P centre esančios peptidil- tRNR pašali­namas baigtas sintetinti polipeptidas. 3.3. Ribosoma suskyla į subvienetus, atpalaiduojama iRNR. Taigi visas baltymo sinte­zės kompleksas suskyla į sudedamąsias dalis, kurios vėl gali dalyvauti naujo polipeptido sintezėje. 18 Prokariotų genų raiškos reguliavimas. Operonas ir jo reguliavimas Svarbiausia daugumos prokariotų ląstelių funkcija yra augti ir daugintis. Vie­nas jų gyvybingumui svarbias medžiagas jos gauna iš aplinkos ir jas perdirba, o kitas, kurių negali gauti iš aplinkos arba gauna nepakankamai, pasigamina pa­čios. Tad reikalinga tam tikra sistema, reguliuojanti su medžiagų apykaita susiju­sių genų veiklą. Dažniausiai vienos medžiagos (pvz., kurio nors angliavandenio ar konkrečios aminorūgšties) apykaita vyksta keliais etapais. Kiekvieną jų katalizuoja tam tikras fermentas. Tačiau visus vienos medžiagos apykaitoje veikiančių fermentų genus galima reguliuoti kartu. Prokariotų organizme tokios genų gru­pės dažnai dalyvauja vadinamųjų operonų veikloje. Prokariotų genų, kurių veikla nėra nuolatinė (t. y. indikuojamų arba represuoja­mų genų), raišką galima reguliuoti tik valdant genų nurašymą. Be promotoriaus ir operatoriaus komplekso yra žinomi ir kiti prokariotinių genų nurašymo kontro­lės mechanizmai. Antra vertus, nors prokariotų ląstelėse genų veikla dažniausiai valdoma vykstant transkripcijai, kai kurių genų raiška gali būti reguliuojama ir sintetinant baltymą. Operonas ir jo reguliavimą būdai: Operoną sudaro (1.20 pav): 1) grupė struktūrinių genų, pagal kuriuos sintetinami vieno medžiagų apykaitos pro­ceso fermentai (lac operone yra fermento laktazės genas ir du kiti genai, o trp operone -keli triptofano gamybai būtini fermentų genai); 2) promotorius, nuo kurio pradedami nurašinėti struktūriniai genai; 3) operatorius, prie kurio gali prisijungti šių genų nurašymą reguliuojantis baltymas, kurio erdvinė struktūra gali kisti, prisijungus induktoriaus ar korepresoriaus molekulei. Šis baltymas vadinamas represoriumi'. Jį koduojantis genas operonui nepriklauso. Operono reguliavimas: Kai represorius neprisijungęs prie operatoriaus, RNR polimerazė, sąveikaudama su promotoriumi, pradeda RNR sintezę ir nurašo visus struktūrinius genus į vieną iRNR molekulę, nuo kurios ribosomose sintetinamos atitinkamų fermentų (tarp jų ir laktazės) molekulėse. Prisijungęs prie operatoriaus, represorius tampa kliūtimi RNR polimerazės sąveikai su promotoriumi, ir operono struktūriniai genai nenurašomi. Taigi nesintetinami ir atitinkami fermentai. Kaip represorius „sužino", kada jam reikia prisijungti prie operatoriaus? Galimi du pagrin­diniai mechanizmai - indukcija arba represija. 1. Indukcijos pavyzdys yra lac operonas. E. coli ląstelė daugiausia vartoja gliukozę. Tačiau kai jos nėra, ima skaldyti laktozę. Kol terpėje pakanka gliukozės, laktozės apykaitos fermentų nereikia, ir lac operoną blokuoja aktyvus represorius, prisitvirtinęs prie operato­riaus. Jei gliukozės stinga, o terpėje yra laktozės, laktozės molekulė sąveikauja su represo­riumi ir taip pakeičia jo erdvinę struktūrą, kad šis nebegali sąveikauti su operatoriumi. Nebelieka kliūčių RNR polimerazės sąveikai su promotoriumi, ir lac operono genai nurašo­mi. Taigi laktozės molekulė yra lac operono induktorius. 2. Represijos pavyzdys yra trp operonas. Kol terpėje pakanka triptofano, E. coli ląstelei neverta eikvoti energijos ir gaminti jį pačiai. Triptofanas prisijungia prie neaktyvaus repre­soriaus ir, pakeisdamas jo erdvinę struktūrą, leidžia sąveikauti su operatoriumi, t. y. blokuo­ti trp operono genų nurašymą. Taigi triptofanas yra korepresorius, nes bėjo represorius neaktyvus. Kai terpėje triptofano nėra, nuo represoriaus molekulės atsiskiria korepreso­riaus triptofano molekulė, ir represorius, pasikeitus jo erdvinei struktūrai, nebegali likti prisijungęs prie operatoriaus. Nebelikus kliūties RNR polimerazės sąveikai su promotoriu­mi, vyksta trp operono genų raiška. Taigi ląstelė gali pati pasigaminti triptofano. (1961-aisiais F. Žakobas (F. Jacob) ir Ž. Mono (J. Monod) buvo apdovanoti Nobelio premija.) 19 Eukariotų genų raiškos reguliavimas ir jo lygmenys Lyginant su vienaląsčiais prokariotais, daugialąsčių eukariotų ląstelės yra kur kas tiksliau apibrėžtos paskirties. Konkrečioms tokių specializuotų ląstelių funkcijoms atlikti reikalingi tam tikri baltymai. Todėl įvairiose ląstelėse yra veiklūs skirtingi genų rinkiniai. Vieną genų grupę sudaro vadinamieji bendriniai genai, būtini ląstelės gyvybingumui palaikyti ir aktyvūs visose ląstelėse (kaip antai genai, koduojantys DNR, RNR ir baltymų sintezei reikalingus fermentus bei kitus baltymus). Kitų genų produktai būtini specifinėms konkretaus tipo ląstelės funkcijoms. Todėl tie genai veikia tik to tipo ląstelėse (pvz., pieno baltymus koduojantys genai veiklūs tik jauniklius maitinančios žinduolio patelės pieno liaukų ląstelėse). Be to, kai kurie genai turi pradėti arba nustoti veikti, kai ląstelė gauna tam tikrą signalą. Netgi bendriniai genai aktyvūs ne visą laiką (antai DNR sintezei reikalingi fermentai ir kiti baltymai sintetinami tik prieš ląstelės DNR dvigubėjimą). Eukariotų genų raiška valdoma keliais lygiais (1.21 pav). Vienas svarbiausių -reguliavimas vykstant nurašymui. Eukariotų genų nurašymo reguliavimas kur kas sudėtingesnis nei prokariotų, tačiau svarbiausi principai yra bendri. Epigenetinė kontrolė DNR Nurašymo kontrolė pre-iRNR iRNR brendimo kontrolė Branduolio membranos pora iRNR Branduolio membrana iRNR Polipeptidas Baltymo brendimokontrolė Neveiklus Veiklus baltymas baltymas Baltymo aktyvumo kontrolė Neveiklus Veiklus baltymas baltymas 1.21 pav. Eukariotų genų raiškos reguliavimo lygmenys 20 Ląstelės ciklas (prokariotų ir eukariotų). Molekulinė chromosomos sandara Ląstelės ciklas - tai jos gyvavimo laikotarpis nuo ląstelės dalijimosi, kai ji susidaro, ligi kito jos dalijimosi, kai susidaro ląstelės palikuonės (t. y. kita ląstelių karta), arba pačios ląstelės žuvimo Kaip žinia, prokariotai dauginasi n e I y t i n i u būdu ląstelei tiesiog dalijan­tis pusiau (toks dalijimasis vadinamas skilimu arba dvinariu dalijimusi). Taigi jų ląstelės ciklas - augimas ir dalijimasis - yra ir viso jų organizmo gyvavi­mas. Tokių organizmų genomą sudaranti vienintelė susiraizgiusi žiedo formos DNR molekulė (chromosoma), prisitvirtinusi prie plazminės memb­ranos, prieš ląstelei dalijantis padvigubėja. Plazminei membranai tįstant ir formuojantis pertvarėlei dvi tapačios DNR kopijos po vieną patenka į duk­terines ląsteles. Eukariotų ląstelių dalijimosi mechanizmas kur kas sudėtingesnis. Tokių organizmų ląstelės ciklą sudaro keturios pagrindinės stadijos (2.1 pav.), atspindinčios ir ląstelės genetinės informacijos rinkinio DNR bei chromo­somų būseną. Per S stadiją padvigubėja ląstelės genetinės informacijos rinkinys. Branduoliui ir ląstelei dalijantis, abu šie rinkiniai pasiskirsto į duk­terines ląsteles. Per G, (ir G0) stadiją vyksta ypač intensyvi genų raiška. Dalijantis eukariotų ląstelei turi pasidalyti ir citoplazma, ir branduolys. Aukštesniųjų eukariotų somatinių ląstelių branduolių dalijimuisi būdinga mitozė, o lytinės ląstelės formuojasi branduoliams dalijantis mejozės būdu. 21 Chromosomų struktūra ir morfologija. Kariotipas ir jo analizės principai Akivaizdu, kad chromosomas geriausia tirti, kai jos labiausiai sutrumpėjusios, tankiausios, o jų morfologinė struktūra aiški ir matoma pro optinį mikroskopą (2.2 pav.). Tokios būsenos jos yra metafazėje (apie šią ir kitas mitozės fazes plačiau kalbama 2.3 skyriuje). Todėl jos taip ir vadinamos - metafazinėmis chro­mosomomis. Metafazinės chromosomos skiriasi savo dydžiu ir forma. Kiekviena jų turi pir­minę persmauką, vadinamąją centromerą, dalijančią chromosomą į trumpąjį (p) ir ilgąjį (q) petį (2.3 pav., A, p. 43). Būtent centromera susijusi su chro­mosomos judėjimu ląstelei dalijantis. Labai svarbios chromosomų dalys yra telomeros, t. y. tam tikros struktūros pačiuose chromosomų pečių galuose. Jos garantuoja chromosomos vientisumą ir stabilumą, linijinės DNR molekulės galų dvigubėjimą, turi įtakos erdvinei ląstelės branduolio struktūrai. Chromosomų telomerose esama daug paeiliui pasikartojančių (TTAGGG)n arba labai panašių sekų, kurių skaičių kontroliuoja fermentas telomerazė. Telomerazės aktyvumo sumažėjimas, tuo pačiu ir šių sekų pasikartojimų kiekio sumažėjimas, sie­jamas su ląstelės mirtimi ir su individo senėjimu. Kuo mažiau chromosomos galuose lieka tokių paeiliui pasikartojančių sekų, tuo trumpiau gyvena individas. Kadangi metafazinės chromosomos analizuojamos standartiniais citogenetiniais metodais, jų morfologinio klasifikavimo pagrindas yra metafazinės chromosomos struktūra bei forma, ir pirmiausia - centromeros padėtis (2.3 pav., B, p. 43). Akrocentrinių chromosomų trumpuosiuose pečiuose dar skiriami branduolėlio struktūriniai elementai, kuriuos sudaro rRNR genų sankaupos. Jie sudaro antrines sąsmaukas, atribojančias trumpųjų pečių ga­lines dalis - vadinamuosius palydovus (žr. 2.3 pav. B ir 2.5 pav.). Išimtis - Y chromosoma. Chromosomos skiriasi ne tik centromeros padėtimi, bet ir dydžiu (2.4 pav., 2.5 pav. Ilgainiui sukurti skirtingi chromosomų dažymo metodai, leidžiantys atpažinti kiek­vieną chromosomą. Dažniausiai taikomi vadinamieji diferencinio dažymo metodai, pagrįsti tuo, kad skirtingos struktūros chromosomų segmentai tam tikrais dažais nusidažo nevienodai intensyviai. Taigi išryškėja tam tikras skersinis chromosomų ruožuotumas (žr. 2.4 pav.). Nudažytos chromosomos nufotografuojamos ir anali­zuojamos. Gauti duomenys leidžia suklasifikuoti visas tiriamojo individo chromo­somas ir nustatyti, ar visų jų skaičius normalus, ar analizuojamų chromosomų ruoželiai atitinka standartinį grafinį chromosomų vaizdą, vadinamą ideograma (2.5 pav.). Suklasifikuotų chromosomų rinkinys vadinamas kariotipu (2.6 pav.) Molekulinės citogenetikos metodai įgalina naudojant genetinius zondus ir įvai­rius "žymenis pamatyti konkrečias chromosomas arba tam tikras jų dalis net ir interfaziniame branduolyje, tiksliai nustatyti įvairias chromosomų struktūros ano­malijas Chromosomų analizei vis plačiau taikomos kompiuterinės skailmeninių vaizdų analizės programos. Chromosomos sutampa su diskrečiais paveldimumo vienetais 22 Ląstelių mitozė. jos fazės. Pagrindinė mitozės savybė Organizmams dauginantis nelytiniu būdu ir ląstelėms skylant arba dalijan­tis mitoziškai, palikuoniai gauna tokį pat genetinės informacijos rinkinį ir genetiniu požiūriu visai nesiskiria nuo tėvų ir vienas nuo kito. Tai labai apri­boja organizmų galimybes prisitaikyti veikiant gamtinei atrankai. 23 Lytinis dauginimasis – organizmų genetinės įvairovės šaltinis Lytinis dauginimasis yra įvairios organizmų dauginimosi formos, kai nau­jas organizmas formuojasi iš zigotos, susidariusios susiliejant dviem lytinėms ląstelėms (gametoms), gautoms iš skirtingų tos pačios rūšies, bet priešin­gos lyties organizmų. Per apvaisinimą susiliejant genetiškai skirtingoms (t. y. turinčioms skirtingus tų pačių genų alelių derinius) lytinėms ląstelėms, iš zigotos susiformavę nauji individai jau nebetapatūs nei vienam iš tėvų, nei savo broliams ar seserims, susiformavusiems iš skirtingų zigotų. Taigi daugi­nantis lytiniu būdu vienos biologinės rūšies individai apsikeičia genetine infor­macija, ir susidaro nauji genų alelių deriniai. Taip didėja palikuonių kintamumas ir sukuriama biologinės rūšies individų genetinė įvairovė netgi nesikeičiant patiems genams. Tai svarbi gamtinės atrankos sąlyga. Lytinis dauginimasis susijęs su tam tikra problema. Jei organizmo lytinės ląs­telės turėtų tiek pat chromosomų kaip ir somatinės, gametoms susiliejus per apvaisinimą kiekvienoje naujoje palikuonių kartoje chromosomų skaičius didėtų geometrine progresija (1n^2n->4n->8n-> ...) ir labai greitai baigtųsi katastrofa. Ilgainiui per evoliuciją susiformavo šios problemos sprendimas - spe­cialus lytinių ląstelių formavimosi būdas - mejozinis ląstelės dalijimasis, dėl ku­rio lytinės ląstelės turi tik viengubąjį chromosomų rinkinį (n). Mejozinis ląstelės dalijimasis būdingas tik lytiškai besidauginantiems eukariotams. 24 Chromosomos per mejozę. Svarbiausios mejozės savybės Ląstelė mejoziškai dalijasi du kartus, todėl pagrindiniai jos gyvavimo eta­pai yra vienas po kito įvykstantys pirmasis ir antrasis mejozinis dalijimasis. Chromosomos per mejozę: gametos gauna lygiai pusę dvigubojo chromosomų rinkinio 25 Primasis mejozinis dalijimasis I profazė. žr. toliau I metafazė. Branduolio membrana suyra į gabalus, o beveik visai atsi­skyrę bivalentai, vis dar glaudinami chiazmų, išsidėsto ląstelės ekvatoriaus plokštumoje. Susiformavusios verpstės siūlai, prisitvirtinę prie kiekvienos chro­mosomos centromeros srityje, sujungia ją su vienu iš verpstės polių. Būtina atkreipti dėmesį į esminį skirtumą tarp mejozės I metafazės ir mitozės metafazės. I anafazė. Visų homologinių porų chromosomos, sudarančios bivalentus, galiausiai visiškai atsiskiria viena nuo kitos ir tempiamos verpstės siūlų kiek­viena keliauja to poliaus, su kuriuo šiais siūlais sujungta, linkme. Svarbiausia yra tai, kad kiekvienos chromosomos seserinės chromatidės išlieka neatsiskyrusios per centromerą (t. y. centromerą per pirmąjį mejozinį dalijimąsi nesidalija), ir prie kiekvieno iš polių juda visa chromosoma, sudaryta iš dviejų chromatidžių. Todėl prie kiekvieno ląstelės poliaus nukeliauja tik po vieną kiekvienos homologinės poros chromosomą. I telofazė. Du viengubieji chromosomų rinkiniai (n) pasiekia priešingus ląstelės polius, apie juos susiformuoja branduolio membrana, ląstelės citoplazma pasidalija. Taip iš vienos somatinės ląstelės su dvigubuoju chromosomų rinkiniu (2n) susidaro dvi ląstelės, kuriose yra jau tik pusė chromosomų (viengubasis chromosomų rinki­nys n). Todėl pirmasis mejozinis dalijimasis yra redukcinis: 2n->n 26 Pirmosios mejozės profazės stadijos ir jų ypatumai Chromosomos tankėja ir trumpėja kaip ir mitozės profazėje, kol I profazės pabaigoje pasidaro tokios pat tankios kaip ir mitozės metafazėje. Tačiau kitais aspektais ši ypač svarbi mejozės fazė labai skiriasi nuo mitozės profazės. Jai vykstant kiekvienos homologinės poros chromosomos (išskyrus heterogametinių individų X ir Y chromosomas) nuo galų pradeda glaustis, kol visu ilgiu susiglaudžia į bivalentus (t. y. įvyksta homologinių chromosomų sinapsė arba konjugacija). Atitinkamos homologinių chromosomų vietos, taigi ir jose esantys tie patys genai, bivalente atsiduria vienas priešais kitą.(Vienos chromosomos (t. y. vienos diados) dvi chromatidės yra seserinės. Kitos bivalentą sudarančios homologinės chromosomos (antrosios diados) dvi chromatidės būdamos seserinės viena kitai yra neseserinės antrosios diados chromatidėms.) Kiekvieną bivalentą sudaro dvi seserinių chromatidžių poros (mejozėje dar vadi­namų diada). Todėl jis dar vadinamas tetrada, nes iš tikrųjų sudarytas iš keturių homologinių chromosomų chromatidžių. Sudariusios bivalentą homologinės chro­mosomos apsiveja viena apie kitą. Kai kuriose vietose įvyksta chromatidžių trūkiai ir rekombinacija, per kurią neseserinės chromatidės apsikeičia fragmentais (2.8 pav. p 58). Taigi įvyksta genetiniai mainai, dėl kurių neseserinėse homologi­nių chromosomų chromatidėse susidaro nauji alelinių genų deriniai. Taip atsitinka todėl, kad šios chromatidės, nors ir turi tuos pačius genus, tačiau yra genetiškai netapačios, nes susidarė dvigubėjant dviem skirtingoms (t. y. turinčioms tuos pačius genus, bet skirtingus jų alelius) dviejų homologi­nių chromosomų DNR molekulėms. Genetiškai tapačios seserinės chromati­dės susidaro dvigubėjant vienai DNR molekulei. Po rekombinacijos genetinių mainų vietoje neseserinės chromatidės persikryžiuoja, t. y. susidaro chiazmos (žr. 2.8 pav.), matomos pro optinį mikro­skopą. Dažniausiai chiazmos matomos keliose bivalento vietose (vienoje žmogaus chromosomoje vidutiniškai jų būna dvi). Tai liudija, kad per vieną mejozę viename bivalente įvyksta keli neseserinių chromatidžių apsikeitimai fragmentais (t. y. rekombinacija gali įvykti net keliose bivalento vietose). Jų vieta atsitiktinė: vykstant mejozei kitose to paties organizmo ląstelėse, to­kiose pačiose homologinių chromosomų porose rekombinacija įvyksta skir­tingose neseserinių chromatidžių dalyse. Apsikeitimų fragmentais skaičius dažniausiai priklauso nuo chromosomos dydžio - kuo ji ilgesnė, tuo dau­giau chiazmų matyti. Nehomologinės X ir Y chromosomos negali susiglausti ir sudaryti sinapsės, kuri būtina rekombinacijai. Tačiau neseniai šių chromosomų trumpuosiuose pečiuose buvo aptikti nedideli homologiniai segmentai, tarp kurių gali įvykti sinapsė ir rekombinacija. Chromosomoms tankėjant ir trumpėjant bivalentus sudarančios homologinės chromosomos pradeda atsiskirti nuo centromerų telomerų link, bet šiam procesui vykti trukdo chiazmos, glaudinančios bivalento chromosomas vieną prie kitos. Chromosomoms vis labiau atsiskiriant, chiazmos slenka telomerų link. 27 Mejozės ir mitozės panašumai ir skirtumai Mejozė Mitozė 28 Ryšys tarp mejozės ir lytinių ląstelių susidarymo koks bebūtų apvaisinimo tipas, genetiniu požiūriu jo esmė yra ta pati: iš dviejų viengubųjų chro­mosomų rinkinių ląstelėje atsistato dvigubasis chromosomų rinkinys (n + n -> 2n). Koks bebūtų lytinio dauginimosi tipas, esmingiausia yra tai, kad būtent mejozė pagrindžia pastovų chromosomų skaičių organizmų kartų sekoje, kai per apvaisinimą susiliejus lytinėms ląstelėms atsistato dvigubasis chromosomų rinki­nys (n + n -> 2n). Kaip jau buvo minėta, mejozinio ląstelių dalijimosi rezultatas yra lytinės ląstelės (gametos). Daugumos gyvūnų gametos formuojasi tam tikruose organuose -lytinėse liaukose (gonadose). Morfologiškai tapačios gametos būdingos vie­naląsčiams dumbliams, žemesniesiems grybams ir daugeliui protistų. Aukštes­niesiems augalams, daugialąsčiams gyvūnams ir kai kuriems grybams būdingos skirtingos gametos - stambi nejudri kiaušialąstė ir daug mažesnis judrus (dažniausiai) spermatozoidas. Taigi skiriasi ir jų susidarymo mechanizmai -oogenezė ir spermatogenezė. 29 Žmogaus spermatogenezė, oogenezė ir apvaisinimas. 30 Vyrų ir moterų gametogenezės skirtumai Spermatozoidų pradinių pirmtakų atsargos yra spermatogonijos, esančios sėklidžių vingiuotuosiuose kanalėliuose. Spermatogonijos, skirtingai nuo mo­terų kiaušidėse esančių užuomazginių folikulų (ir juose glūdinčių oocitų), gali dalytis, t. y. atsigaminti. Todėl jų atsargos neišsenka ligi gilios senatvės. Kartu išlieka ir spermatozoidų gamyba bei vaisingumas. Vienu metu pradeda bręsti grupė spermatogonijų. Jos ima mitoziškai dalytis (kiekviena ląstelė - iki 30 kartų), tačiau jau per pirmąjį mitozinį dalijimąsi susiformavusios ląstelės atsi­skiria nevisiškai - tarp jų lieka jungtys, svarbios įvairių su šių ląstelių brendimu susijusių procesų tolydumui. Taip kiekviena nauja spermatozoidų karta subręsta vienu metu. Pasibaigus spermatogonijų mitoziniam dalijimuisi, šios ląstelės toliau bręsta ir susidaro I eilės spermatocitai, kurie dalijasi jau mejoziškai. jvykus pirmajam (redukciniam) mejoziniam dalijimuisi iš vieno I eilės spermatocito susidaro du II eilės spermatocitai, turintys po 23 chromosomas, kurių kiekviena sudaryta iš dviejų chromatidžių. Jvykus antrajam mejoziniam dalijimuisi iš dviejų antros eilės spermatocitų susidaro keturi spermatidai. Jie daugiau nebesidalija ir galiausiai baigę bręsti tampa subrendusiais spermatozoidais. Spermatogenezės procesas yra ganėtinai intensyvus, ypač lyginant jį su oogene­zė (žr. skirtumus lentelėje). Šio tipo gametos visiškai subręsta maždaug per 74 paras. Dar nuo 3 iki 13 parų trunka spermatozoidų transportas per sėklinį prielipą. Pirmoji spermatozoidų karta subręsta jaunuoliui sulaukus lytinės brandos (apie 15-uosius gyvenimo metus). Kadangi spermatogonijos nuolat atsigamina mito­zinio dalijimosi būdu, jų atsargos neišsenka ligi gilios senatvės. Kartu išlieka ir spermatozoidų gamyba bei vaisingumas. Moters pirminės lytinės ląstelės oogonijos susiformuoja iš gemalinių ląstelių po 20-30 mitozinių dalijimusi, kurie vyksta per kelis pirmuosius embriono raidos mėnesius. Pasibaigus šiam raidos etapui (trečiąjį mėnesį po apvaisinimo) oogoni­jos ima bręsti ir tampa I eilės oocitais (2.9 pav.). Paminėtina oogenezės ypatybė yra tai, kad I eilės oocitų atsargos kiaušidėse susiformuoja dar prieš gimimą, ir vėliau naujos šio tipo ląstelės nebesusidaro. Subrendę I eilės oocitai ima mejoziškai dalytis dar prieš gimimą, tačiau užtrunka I profazėje (trumpiausiai - iki lytinės brandos, t. y. iki pirmosios ovuliacijos, o paskutiniųjų šio tipo ląstelių I profazė tęsiasi net iki moters lytinio aktyvumo laikotarpio pabaigos - apie 50-uosius gyvenimo metus). Pirmasis mejozinis dalijimasis baigiasi ovuliacija, kai susifor­muoja 23 chromosomas (n) turintis II eilės oocitas, į kurį patenka beveik visa I eilės oocito citoplazma, ir citoplazmos beveik neturinti ląstelė (vadinamasis pirmasis polinis kūnas). II eilės oocite prasideda antrasis mejozinis dalijimasis, kuris vyksta iki II metafazės. Paskui ląstelė iš kiaušidės patenka į kiaušintakį, kur ją gali apvaisin­ti spermatozoidas. Jei apvaisinimas įvyksta, spermatozoidas susilieja su kiaušialąs­te, ši aktyvinasi, ir baigiasi jos mejozė. Susiliejus kiaušialąstei ir spermatozoidui chromosomų rinkinys vėl pasidaro dvigubasis (n + n -> 2n). Taigi zigotoje vėl atsiranda 46 chromosomos. Per oogenezę po abiejų mejozinių dalijimusi iš I eilės oocito susidaro tik viena kiaušialąstė ir, dažniausiai, trys poliniai kūnai, turintys po viengubąjį (n) chromo­somų rinkinį (23 chromosomas).Ilga proceso trukmė - nuo mejozės pradžios iki jos galimos pabaigos - sudaro galimybę klaidoms atsirasti, kai chromosomos pasiskirsto į dukterines ląsteles. Tai­gi kuo vyresnė moteris, tuo ilgiau trunka mejozė (žr. II dalies 4.1 skyrių) ir didesnė klaidos tikimybė.Kiekvienos subrendusios kiaušialąstės formavimasis susijęs su tam tikros užuo-mazginių folikulų dalies suvartojimu. Todėl galiausiai apie 50-uosius moters gyvenimo metus išeikvojamos visos pastarųjų atsargos, ir lytinių hormonų bei kiaušia­ląsčių susidarymas baigiasi. Vyrų ir moterų gametigenezės skirtumai Gametogenezės etapas Vyrai Moterys Pradžia lytinė branda ~15-ieji gy­venimo metai ankstyvoji embriogenezė Trukmė 60-74 dienos 10-50 metų Mitozinių dalijimusi skai­čius formuojantis gametai 30-500 20-30 Vykstant mejozei iš vienos kamieninės ląstelės pasigamina gametų 4 spermatozoidai 1 kiaušialąstė + 3 poliniai kūnai Gametų susidarymo inten­syvumas suaugusio asmens organizme 100-120 mln spermato­zoidų viename ejakuliate 1 kiaušialąstė per 1 menstruacijų ciklą 31 Mejozės įtaka kombinaciniam kintamumui Kalbėdami apie mejozę jau užsiminėme apie rekombinaciją ir genetinius mainus. Tačiau įsidėmėtina, kad mejozė yra ne tik redukcinis dalijimasis, dėl kurio kartų sekoje yra išlaikomas pastovus chromosomų skaičius, bet ir labai svarbus individų genetinės įvairovės didinimo būdas. Mejozė atveria kelius trims pagrindiniams mechanizmams pasireikšti, genetinei įvairovei didinti „perdėliojant alelinių genų pasjansą": 1. genetinei rekombinacijai, per kurią homologinių chromosomų nesese­rinės chromatidės apsikeičia segmentais, t. y. tarp jų vyksta genetiniai mainai (genetinė rekombinacija vyksta pirmojo mejozinio dalijimosi I profazėje, kai neseserinės homologi­nių chromosomų chromatidės apsikeičia fragmentais. Jei homologinių chromosomų konjugacija vyksta normaliai, neseserinės homologinių chromo­somų chromatidės apsikeičia fragmentais, kuriuose yra tokie pat genai, tačiau dalies jų aleliai gali būti skirtingi. Rekombinacija turi įvykti nepriekaištingai tiksliai (netgi vieno nukleotido tikslumu!), nes genetiniai mainai gali įvykti organizmui svarbaus geno srityje.) 2. atsitiktiniam homologinių chromosomų pasiskirstymui dukterinėse ląs­telėse (Jis vyksta pirmojo mejozinio dalijimosi I anafazėje, kai homologinės chromosomos atsi­skiria ir nukeliauja į priešingus ląstelės polius (2.8 pav., p. 53). Homologinės vienos poros chromosomos į priešingus ląstelės polius nu­keliauja atsitiktinai, t. y, nėra jokios tikimybės, kad visos chromosomos, paveldėtos iš tėvo, patektų j vieną ląstelės polių, o paveldėtos iš motinos -į kitą. Vis dėlto tikimybė, kad taip atsitiks, nėra lygi nuliui, tačiau labai maža ir lygi (1/2)". Kadangi žmogaus n = 23, tikimybė, kad į vieną dukte­rinę ląstelę pateks vien tik tėvinės chromosomos, o j kitą - vien tik motininės, yra (1/2)23 = 1/8 388 608. Taigi per pirmąjį mejozinj dalijimąsi formuojantis naujoms ląstelėms dėl atsitiktinio chromosomų pasiskirstymo įvyksta dar vie­nas genetinės medžiagos (alelinių genų) persiskirstymas (2.10 pav.). Jis vyksta visoje chromosomoje, skirtingai nei per rekombinaciją, kai persiskirsto tik apkeistuose chromatidžių fragmentuose esantys aleliniai genai. Galimų skir­tingų kombinacijų tarp tėvo ir motinos homologinių chromosomų dukte­rinėse ląstelėse skaičius yra 2", kur n yra chromosomų skaičius viengubajame ląstelės chromosomų rinkinyje. Kadangi žmogaus viengubajame chromo­somų rinkinyje yra 23 chromosomos, dėl atsitiktinio homologinių chro­mosomų pasiskirstymo dukterinėse ląstelėse gali susidaryti 8 388 608 skirtingos kombinacijos (223). Dera įsidėmėti, kad dėl per mejozę įvykusios rekombinacijos kiekviena tokia chromosoma jau nėra visiškai tėvinė arba visiškai motininė.Taigi drąsiai galima teigti, kad nei viena iš kelių milijardų vyriškųjų lytinių ląstelių ir šimtų moteriškųjų lytinių ląstelių, pasigaminančių per visą lytiškai subrendusio žmogaus gyvenimą, nėra genetiškai tapati) 3. atsitiktiniam lytinių ląstelių susiliejimui per apvaisinimą.( Lytinio dauginimosi laikotarpiu galima dar didesnė palikuonių genetinė įvairovė. Per apvaisinimą susilieja po vieną atsitiktinę gametą iš dviejų skirtingų lyčių organizmų. Taigi zigota gauna abiejų tėvų viengubuosius chromosomų rinkinius ir joje galimi jau (223)2 ~ 70 368 744 000 000 skirtingi chromosomų deriniai. Šis skaičius gautas neatsižvelgus į mainus tarp neseserinių chromati­džių. Tikėtina įvairovė dar didesnė. Tad akivaizdu, kad lytiškai besidauginantys organizmai turi neribotas kombinacinio kintamumo galimybes, o tai labai svarbu evoliucijos procesui, kai gamtinę organizmų atranką lemia besikeičiančios ap­linkos sąlygos. Intensyvus naujų genetinės informacijos derinių susidarymas dažniausiai įgalina organizmus kur kas geriau prisitaikyti prie aplinkos sąlygų. Nors kombinacinio kintamumo galimybės yra milžiniškos, negalima pamiršti, kad kiekvienas iš tėvų homologinės chromosomas būna gavęs iš savo tėvų, o kitai ląstelių ir vaikų kartai perduoda tik po vieną (t. y. 50 %) homologinę chromosomą. Antrąją chromosomą (kiti 50 %) homologinei porai duoda ku­ris kitas iš tėvų. Taigi vaikai vis dėlto panašūs į savo tėvus.) 32 Genai dvigubajame chromosomų rinkinyje. 33 Aleliniai ir nealeliniai genai. Genotipas. Fenotipas Kaip žinia, chromosomos perduoda genetinę informaciją. Šią idėją teoriškai pagrindė T. Boveris ir V. S. Šatenas. T. Morganas su bendradarbiais tyrinėdami vaisines museles (Drosophila melanogaster -3.1 pav.) eksperimentais įrodė chromosominę paveldimumo teoriją ir suformulavo pagrindinius jos princi­pus. Ši teorija pagrįsta tuo, kad paveldimumo vienetai genai yra sukaupti chromosomose. Todėl: 1) lytiškai besidauginančių organizmų kiekvienoje somatinėje ląstelėje-yra dvigubas ne tik chromosomų, bet ir jose esančių genų rinkinys. Kadan­gi dvigubajame rinkinyje chromosomos būna poromis, kiekvienas tam tik­roje chromosomoje esantis genas turi savo antrininką kitoje homologinės poros chromosomoje (išimtis - heterogametinių individų lytinių chromo­somų genai); 2) ląstelei dalijantis mitoziškai dukterinės ląstelės gauna po tokį pat dvigu-bąjį chromosomų, taigi ir genų, rinkinį; 3) per mejozę atsiskiriant homologinėms (porinėms) chromosomoms kartu atsiskiria ir kiekvienos poros genai. Todėl lytinėse ląstelėse (gametose) tėra vienas chromosomų rinkinys, kuris kartu yra ir viengubasis genų rinkinys; 4) per mejozę ir homologinės chromosomos, ir jose esantys kiekvienos poros genai išsiskiria nepriklausomai vienas nuo kito. Todėl lytinėse ląs­telėse susidaro visi galimi jų deriniai; 5) per apvaisinimą susiliejus dviem lytinėms ląstelėms zigotoje vėl atsista­to dvigubasis ir chromosomų, ir jose esančių genų rinkinys. Konkretaus geno variantai, esantys toje pačioje homologinių chromosomų vietoje (ir konkretaus individo, ir konkrečios biologinės rūšies individų apskri­tai), yra to geno aleliai arba aleliniai genai (pvz., A ir a yra A geno aleliai, taigi jie yra aleliniai genai). Genai, esantys skirtingose vietose (ir skirtingose nehomologinėse chromoso­mose, ir skirtingose tos pačios chromosomos vietose) yra nealeliniai (pvz., A ir B yra nealeliniai genai). Tačiau kiekvienas jų gali turėti savo alelių (pvz., A genas -A ir a, o B genas - B ir b; A geno aleliai A ir a yra nealeliniai B geno alelių B ir b atžvilgiu. Individo požymių visuma apibrėžiama kaip fenotipas, kurio susiformavimą sąlygoja genotipas ir aplinkos poveikis Kai organizmas vienoje homologinių chromosomų poroje turi tuos pačius aleli­nius genus (1-asis ir 3-iasis variantas), jis vadinamas homozigotiniu, o kai skirtingus (2-asis variantas) - heterozigotiniu. Be to, organizmus taip apibūdi­name pagal jų turimas genetines savybes, t. y. alelinius genus, išsidėsčiusius toje pačioje homologinių chromosomų vietoje. Šį reiškinį iš esmės ir apibrėžia genotipo sąvoka. Taigi individas pagal savo genotipą (konkrečius alelinius genus) gali būti homozigotinis2 arba heterozigotinis3.

Daugiau informacijos...

★ Klientai rekomenduoja

Šį rašto darbą rekomenduoja mūsų klientai. Ką tai reiškia?

Mūsų svetainėje pateikiama dešimtys tūkstančių skirtingų rašto darbų, kuriuos įkėlė daugybė moksleivių ir studentų su skirtingais gabumais. Būtent šis rašto darbas yra patikrintas specialistų ir rekomenduojamas kitų klientų, kurie po atsisiuntimo įvertino šį mokslo darbą teigiamai. Todėl galite būti tikri, kad šis pasirinkimas geriausias!