podstawy genetyki-1, Prezentacje, Biologia
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
R o z d z i a ł
1
Podstawy genetyki
Genetyka w medycynie
W ostatnich dziesięcioleciach dokonał się znaczny postęp w zrozumieniu, jaką
rolę odgrywają czynniki dziedziczne w procesach patologii człowieka. Poznano
choroby uwarunkowane genetycznie oraz schorzenia, w których wrodzona pre-
dyspozycja wraz z czynnikami środowiskowymi odgrywa istotną rolę w ich ujaw-
nieniu i przebiegu. Dzięki poznaniu molekularnych podstaw wielu chorób coraz
częściej można zidentyfikować osoby zagrożone jeszcze przed ujawnieniem się
patologii i, o ile jest to możliwe, zaproponować wczesne postępowanie leczni-
cze lub prewencję.
Genetyka
to dział biologii, analizujący problemy związane z dziedziczeniem cech
i zmiennością organizmów.
Genetyka medyczna
jest gałęzią medycyny zajmującą się dziedziczeniem, rozpo-
znawaniem i leczeniem chorób uwarunkowanych zmianami w materiale gene-
tycznym człowieka. Ważną działalnością genetyki klinicznej jest
poradnictwo
genetyczne
dotyczące problemów pacjentów z chorobami uwarunkowanymi
genetycznie i ich rodzin.
Genetyka molekularna
zajmuje się badaniem struktury i funkcji materiału gene-
tycznego na poziomie cząsteczkowym.
Medycyna molekularna
bada możliwości kliniczne zastosowania genetyki i bio-
logii molekularnej w diagnostyce i leczeniu chorób.
Choroby uwarunkowane genetycznie
Choroby genetyczne
to schorzenia, które przekazywane są jako cecha dziedzicz-
na z pokolenia na pokolenie lub powstają
de novo
na skutek zmian w materiale
genetycznym lub zaburzeń w mechanizmach przekazywania cech dziedzicznych.
Zmiany w materiale genetycznym powstałe
de novo
mogą być przekazywane
potomstwu jako cecha (choroba) dziedziczna.
Tradycyjny podział chorób genetycznych oparty jest na podstawowych prawach
dziedziczenia.
1
Podstawy genetyki w kardiologii
1. Choroby jednogenowe
powstają w rezultacie nieprawidłowego działania po-
jedynczego genu. Są one przekazywane potomstwu w prosty sposób, zgod-
nie z zasadami opisanymi przez Grzegorza Mendla w 1865 roku, stąd cza-
sem bywają określane zaburzeniami mendlowskimi. W zależności od typu
dziedziczenia choroby te dzieli się na:
—
autosomalne dominujące
, gdy gen odpowiedzialny za wystąpienie cho-
roby zlokalizowany jest na chromosomie autosomalnym (innym niż chro-
mosomy płciowe X i Y) i gdy tylko jedna kopia (allel) zmienionego pa-
tologicznie genu wystarczy dla ujawnienia się choroby,
—
autosomalne recesywne
,
gdy gen odpowiedzialny za wystąpienie choro-
by zlokalizowany jest na chromosomie autosomalnym i dla ujawnienia
się choroby konieczne jest występowanie dwóch patologicznie zmienio-
nych kopii danego genu (alleli),
—
sprzężone z płcią
, gdy gen odpowiedzialny za wystąpienie choroby
zlokalizowany jest na chromosomie płciowym X.
2. Choroby wieloczynnikowe
uwarunkowane są współdziałaniem wielu genów,
występujących w różnych lokalizacjach chromosomalnych z czynnikami śro-
dowiskowymi. Nie są one przekazywane potomstwu w sposób prosty, zgod-
ny z zasadami Mendla.
3. Aberracje chromosomowe
są schorzeniami uwarunkowanymi zaburzeniami
liczby i struktury chromosomów.
Struktura i organizacja materiału genetycznego człowieka
Kwas deoksyrybonukleinowy (DNA)
Kwas deoksyrybonukleinowy
(DNA,
deoxyribonucleic acid
)
dość długo nie był
kojarzony z procesami dziedziczenia. Dopiero doświadczenia Avery’ego z lat 40.
XX wieku zasugerowały, iż nośnikiem informacji genetycznej może być właśnie
DNA. W eksperymencie tym wykazano, iż odbiałczony wyciąg ze zjadliwego szcze-
pu dwoinki zapalenia płuc jest zdolny trwale zmienić właściwości szczepu niezja-
dliwego, powodując jego transformację w szczep chorobotwórczy. Natomiast
wyciąg tracił swoje właściwości transformowania bakterii po degradacji DNA za
pomocą deoksyrybonukleazy, enzymu rozkładającego kwasy nukleinowe.
Opublikowanie w 1953 roku opisu struktury cząsteczki DNA przez JamesaWa-
stona, Francisa Cricka i Maurice’a Wilkinsona było przełomem w poznaniu pod-
stawowych zasad przechowywania i powielania informacji genetycznej i stało
się podwaliną rozwoju genetyki molekularnej.
2
Podstawy genetyki
Podstawową jednostką strukturalną DNA jest
nukleotyd
, składający się z cukru
deoksyrybozy
,
reszty kwasu fosforowego
i pojedynczej
zasady purynowej
(ade-
nina, guanina) lub
pirymidynowej
(cytozyna, tymina) (ryc. 1.1). Atomy węgla
w cząsteczce deoksyrybozy są oznaczone numerami od 1 do 5, z dodatkowym
Rycina 1.1.
Struktura cząsteczki DNA.
A.
Podwójny heliks DNA.
B.
Zasada komplementarności,
wiązania wodorowe między zasadami.
C.
Nukleotyd pirymidynowy (cytozyna, tymina).
D.
Nu-
kleotyd purynowy (adenina, guanina). R — deoksyryboza, P — reszta kwasu fosforowego,
Z — zasada azotowa
3
Podstawy genetyki w kardiologii
znakiem prim, odróżniającym je od numerów w cząsteczce zasady. Numeracja
atomów węgla jest ważna, ponieważ wskazuje miejsce przyłączenia pozostałych
składników nukleotydu do cukru. Wiele nukleotydydów połączonych ze sobą
liniowo, przy czym fosforan 5’ jednego nukleotydu tworzy
wiązanie
3’-5’-fos-
fodiestrowe
z węglem 3’ następnego nukleotydu, formuje pojedynczą nić DNA.
Łańcuch polinukleotydowy pojedynczej nici DNA na końcu określanym jako
koniec 5’ ma wolny 5’-trifosforan, a na drugim końcu — określanym jako ko-
niec 3’ — wolną grupę 3’-hydroksylową. Różnica końców nadaje nici DNA
polarność, można więc powiedzieć, że cząsteczka DNA biegnie w kierunku
5’-3’
lub
3’-5’
. Dwie równoległe nici DNA biegnące w przeciwstawnych kierunkach
(antyrównolegle) — jedna
5’-3’
i druga
3’-5’
— oplatające się wzajemnie i skrę-
cone wokół własnej osi, tworzą charakterystyczny kształt cząsteczki DNA w for-
mie prawoskrętnej
podwójnej spirali
(
helisy
). Część cukrowo-fosforanowa two-
rzy szkielet i jest usytuowana na zewnątrz cząsteczki. Zasady są skierowane do
wnętrza helisy i układają się jedna nad drugą. Dwunicowa helisa DNA jest abso-
lutnie regularna, ma średnicę 2 nm, na jej jeden obrót przypada zawsze 10 par
zasad, a jej skok wynosi 3,4 nm. Nici DNA splatają się w ten sposób, że wzdłuż
helisy biegną zawsze dwa regularne rowki — mały i duży. Odległość między
obiema antyrównoległymi nićmi helisy DNA jest taka, że aby zachować syme-
trię cząsteczki dwupierścieniowe puryny mogą oddziaływać tylko z jednopier-
ścieniowymi pirymidynami. Dlatego zasady obu nici łączą się ze sobą zawsze
zgodnie z regułą
komplementarności,
co oznacza, iż
tymina (T)
zawsze tworzy
parę z
adeniną (A)
, a
cytozyna (C)
z
guaniną (G)
, czyli puryna zawsze łączy się
z pirymidyną. Między A i T powstają dwa wiązania wodorowe, a między G i C
— trzy. Konsekwencją takiej budowy jest możliwość odtworzenia cząsteczki DNA
na podstawie sekwencji tylko pojedynczej nici. Stanowi to podstawowy mecha-
nizm zachowania informacji i jej przekazywania komórkom potomnym.
Replikacja DNA
Proces kopiowania cząsteczek DNA w komórkach nazywa się
replikacją
. Za-
pewnia on przekazywanie informacji genetycznej z komórek rodzicielskich do
komórek potomnych w sposób niemal idealnie zapewniający zachowanie nie-
zmienionej budowy własnego DNA. Do powielania DNA dochodzi najczęściej
przed podziałem komórki, tak by obie potomne komórki mogły otrzymać taką
samą ilość pełnowartościowej informacji genetycznej. Podwójna helisa DNA ulega
rozpleceniu i każda z dwóch pojedynczych nici stanowi matrycę, na której ukła-
dane są nukleotydy nowo syntetyzowanej nici zgodnie z zasadą komplementar-
ności. Rozdzielające się w miejscu syntezy łańcuchy DNA tworzą strukturę
„widełek replikacyjnych”
(ryc. 1.2).
Polimeraza DNA
, główny enzym odpowie-
dzialny za proces replikacji, może prowadzić syntezę nowej nici DNA tylko w jed-
nym kierunku — od końca 5’ do końca 3’. Ponieważ obie nici matrycowe,
4
Podstawy genetyki
Rycina 1.2
. Replikacja cząsteczki DNA
zorientowane względem siebie w przeciwnych kierunkach, są kopiowane w ob-
rębie „widełek replikacyjnych” jednocześnie, tylko jedna z powstających no-
wych nici może być wydłużana w sposób ciągły — od końca 5’ do 3’, zgodnie
z kierunkiem przesuwania się widełek. Druga nić, syntetyzowana w kierunku
przeciwnym do ruchu widełek, by zachować zasadę syntezy od końca 5’ do 3’,
musi powstawać w formie krótkich fragmentów łączonych następnie w jedną
ciągła nić. Dlatego „widełki replikacyjne” mają strukturę asymetryczną. Nić syn-
tetyzowana w sposób ciągły nosi nazwę
nici prowadzącej
, zaś nić powstająca
w sposób nieciągły określana jest mianem
nici opóźnionej
. W efekcie końco-
wym powstają dwie nowe cząsteczki dwuniciowego DNA, identyczne z czą-
steczką rodzicielską, z których każda zawiera jedną nić nowo zsyntetyzowaną
i jedną rodzicielską.
W proces replikacji DNA zaangażowane są nie tylko mechanizmy syntezy, ale
i bardzo precyzyjne systemy wykrywania i naprawy wszelkiego typu błędów
i uszkodzeń powstałych podczas syntezy DNA. Głównie dzięki tym systemom
błędy powodujące powstawanie mutacji zdarzają się stosunkowo rzadko, biorąc
pod uwagę liczbę dzielących się komórek, w których zachodzi proces replikacji
DNA.
Organizacja i lokalizacja materiału genetycznego
Wszystkie komórki organizmu człowieka, poza gametami, zawierają pełną in-
formację genetyczną w postaci DNA zlokalizowanego w jądrze komórkowym.
5
[ Pobierz całość w formacie PDF ]