Genetika

dr Stevan Avramov

Stomatološki fakultetPančevo

Sadržaj predavanja

• Istorijat razvoja discipline• Mendelova genetika• Struktura i funkcija gena• Genetički kod• Struktura hromozoma• Replikacija DNK

8000 pre Hrista – ljudi u Neolitu odabiraju biljke i životinje sa poželjnim osobinama— najvećim prinosom, najslađim plodovima ili najdeblje krave— i međusobno ih ukrštaju. 

400 pre Hrista – Grčki filozof Hipokrat smatra da se male čestice (‘semena’) stvaraju u raznim delovima tela oba roditelja, mešaju se i stvaraju jedinku sa pomešanim karakteristikama.

17. i 18. vek – Holanđanin Anton van Leeuwenhoek (1632-1723) na mikroskopu otkriva ‘animalkule’ u spermi ljudi i drugih životinja- ideja ‘preformacije’:  organizam sadrži sve osobine svojih potomaka, upakovane u minijaturnim formama.

Ideje vezane za nasleđivanje iz vremena pre Mendela

homonkulus

Karikature vezane za nasleđivanje iz vremena Mendela

• rođaci međusobno liče jer žive u istom okruženju i iskustvo utiče na izgled• miševi i repovi• deca možda predstavljaju prosek ranijih ‘događanja’ (Charls Darwin)• 1856 – fratar manastira u Brnu Gregor Mendel počeo je svoje eksperimente koji će dati odgovor na ovu zagonetku.

Čovek-slon Čovek-slon JosephJoseph M Merrickerrick 18891889

Ideje vezane za nasleđivanje iz vremena Mendela

• teorija ‘Pangenese’• 1870-tih Frensis Galton i nasleđivanje genijalnosti (sudije)• opovrgao ovu teoriju (transfuzija krvi zečeva) • osniva Laboratoriju za eugeniku- cilj poboljšanje ljudske vrste

Ideje vezane za nasleđivanje iz vremena Mendela

KaluKaluđđer i njegov er i njegov gragraššakak

Gregor Mendel (1822-1884)

Objavio rad 1865Zašto grašak?Čist je, lak za gajenje, s niskom stopom razvoda

Samooplodna vrsta, može se kontrolisati oprašivanje, dovoljan broj osobina koje imaju dve različite forme, dovoljan broj semena, lak za gajenje, dve generacije godišnje . . .

Monohibridno nasleđivanje

parentalna generacija (P)potomačka generacija-filijarna (F1)druga potomačka gen. (F2) S-dominantan faktors-recesivan faktor

“okruglo seme nosi u sebi skrivenu informaciju za naboranost”- jedna od najvećih ideja u istoriji genetike

Mendelova osnovna pravila nasleđivanja

1.pravilo rastavljanja2.pravilo slobodnog kombinovanja

Nasleđivanje je ‘partikularno’, pod uticajem čestica čiji se integritet dokazuje njihovim rastavljanjem u F1 generaciji a zatim se slobodno kombinuju u F2 generaciji po principu slučajnosti:

1.pravilorastavljanje hromozoma u redukcionoj deobi mejoze

Objašnjenje osnovnih pravila nasleđivanja

2.praviloslobodno (nezavisno) kombinovanje dve osobine na dva para hromozoma tokom mejoze

Objašnjenje osnovnih pravila nasleđivanja

Dihibridno ukrštanje- okruglo seme i žuta boja su dominantna svojstva- 4 kombinacije osobina- odnos 9:3:3:1

Objašnjenje osnovnih pravila nasleđivanja

gen- reprodukuje se, kontroliše stvaranje pept. lanca, povremeno se menjagenotip- skup svih naslednih činilaca (gena) jednog organizmafenotip- skup svih osobina organizma nastalih delovanjem naslednih faktora (gena) u određenim uslovima sredinegenom- skup naslednih faktora (gena) koje sadrži jedna garnitura hromozoma tj. svaki pojedini gametaleli- različiti oblici postojanja jednog istog genamonomorfni i polimorfni geni- multipni alelizamgenski lokus- mesto gena na hromozomuhomozigotni i heterozigotni geni- biparentalni organizmihemizigotni geni- prisutni u jednoj kopiji (X i Y geni kod muškaraca)

Osnovni termini neophodni za razumevanje predavanja

Nasleđivanje isto kod graška i ljudi?

• pruski vladar Fridrih Veliki i njegova garda• rodoslov (pedigreu)

Savremena rodoslovna stabla

Gde se nalaze geni?

•Thomas Hunt Morgan (1866 – 1945) i vinske mušice• demonstrirao da se geni nalaze na hromozomima• mapirao gene na hromozomu• prva Nobelova nagrada za genetiku 1933

• nasleđivanje vezano za polne hromozome• boja očiju je određena genom na X-hromozomu

Gde se nalaze geni?

hromozomi D.melanogaster

crtež mitoze Walthera Flemminga iz 1882.

Morganov eksperiment za Nobelovu nagradu

Gde se nalaze geni?

Šta su geni- DNK ili proteini?

• Friedrich Miescher (1868) izoluje ‘čudnu supstancu’ iz jedra

• spermatozoidi, jajne ćelije, leukociti• u jedru su bili proteini i DNK• DNK- četiri nukleotida• proteini- dvadeset aminokiselina

• Avery, Macleod i McCarty (1943) rade sa Pneumococcus-om

• prečišćena DNK dovodi do transformacije i to svojstvo prenosi na potomsto

• DNK je nosilac nasledne informacije

Šta su geni- DNK ili proteini?

Šta su geni- DNK ili proteini?

Direktan dokaz- Hershy i Chase 1952.radioktivni 35 S i 32 P, bakteriofag

Alfred Hershy nobelova nagrada 1969

Kako se DNK umnožava i kako prenosi informacije između generacija?

1953.- najveće biološko otkriće od Darwina- otkrivena je molekularna struktura DNK.Wilkins i Franklin su fotografisali DNK koristeći tehniku ‘kristalografija X-zraka’

Kako se DNK umnožava i kako prenosi informacije između generacija?

Francis Crick i James Watson prave model na osnovu fotografija koje dobijaju od Franklinove- dvostruka spirala, kao uvrnute merdevine.

Počinje nova era u genetici i otvorena vrata novih dramatičnih otkrića u biologiji.

Struktura DNK ukazuje na način reprodukcije!?

Struktura DNK ukazuje na način reprodukcije!?

svaki nukleotid sadrži 3 hemijska jedinjenja: 1. šećer dezoksiribozu 2. fosfornu kiselinu 3. azotnu bazu purinsku ili pirimidinsku

Chargaff 1950: ekvimolarni odnos purina i pirimidinaChargaffova pravila:

1CTGA

1TACG

1CG

TA

Struktura DNK ukazuje na način reprodukcije!?

Struktura DNK ukazuje na način reprodukcije!?

• 1958. god. Meselson i Stahl• bakterije i metod flotacione gustine- bakterije na medijumu sa teškim azotom N15

Struktura DNK ukazuje na način reprodukcije!?

polukonzervativan način replikacije DNK

Dešifrovanje genetičkog koda

• Šta je jedinica šifre ako se kodira 20 amino kiselina?• Watson i Crick su izazivali mutacije na bakteriofagima• po tri ubačena nukleotida – skoro normalan rast faga• genetičke informacije su zapisane rečima od po tri slova i abecedom koja je imala samo četiri slova• broj kombinacija 43= 64 – više tripleta kodira pojedinačne aminokiseline- izrođenost genetičkog koda• čitanje počinje od određenog mesta, ide sa 5’ ka 3’ kraju, start i stop kodoni, RNA- tri klase • baze u antikodonima tRNA bile su komplementarne bazama kodonakodon- triplet nukleotida na iRNK, 61+3• genetički kod je univerzalan, odstupanja jedino u mitohondrijama

Dešifrovanje genetičkog koda

1. osnovni znak šifre je kodon2. univerzalnost genetskog koda3. izrođenost genetskog koda4. čita se bez preklapanja od 5’ ka 3’ od određenog tripleta

Osobine genetskog šifre (koda):

DNA RNA PROTEIN replikacija transkripcija translacija

Osnovna ‘dogma’ molekularne biologije

U svakoj ćeliji čoveka: 46 hromozoma 2 metra DNA 3 milijarde DNA subjedinica 30 000 gena

DNK i hromozomi

DNK i hromozomi

Šematska ilustracija različitih nivoa organizacije hromatina, za koje se pretpostavlja da dovode do nastanka visoko kondenzovane strukture metafaznih hromozoma

DNK i hromozomi

DNK i hromozomi

Struktura nukleosoma

Centromera (primarna konstrikcija)

Sekundarna konstrikcija

Sateliti

Telomera

HROMATIDA DNK

proteini

Osnovni elementi morfologije hromozoma

Hromatin

DNK i hromozomi

DNK i hromozomi

Hromatin

• kompleks nukleinskih kiselina i proteina u interfaznim jedrima eukariota koji se u metafazi organizuje u hromozome;• u sastav hromatina ulaze DNA i proteini, uz manju količinu RNK;• dve vste proteina- bazni (histoni) i kiseli; •organ-specifičnost ukazuje na postojanje kontrole ekspresije gena- proteinske komponente hromatina;• kod eukariota veći deo genoma u represovanom stanju;• histoni – bazni proteini se smanjuju u čitljivom hromatinu, neke frakcije nestaju• količina kiselih proteina varira od tkiva do tkiva pa su oni sigurno uključeni u kontrolu aktivnosti gena (50% proteina u hromatinu)

Histoni

• pet frakcija histona: H1, H2a, H2b, H3 i H4;• veoma konzervativni proteini (0.06% za 100 000 000 godina )- zbog DNK;• histoni H4 graška i teleta razlikuju se u manje od 2% aminokiselina;• H1 nije takav- on reaguje sa promenljivim komponentama od vrste do vrste;• raznovrsne modifikacije histona (fosforilacija, acetilacija, metilacija) najčešće povećavaju sintezu proteina ( na pr. u jetri, pankreasu, embrionalnim ćelijama i ćelijama tumora).

DNK i hromozomi

Pojam heterohromatina i euhromatina

HETEROHROMATIN – više kondenzovan, tamno obojen, kasnoreplicirajućia) KONSTITUTIVNI – deo konstitucije hromozoma- centromerni i telomerni regionib) FAKULTATIVNI – inaktivirani X – hromozom, Barovo teloEUHROMATIN – svetliji, manje kondenzovan, aktivan, ranoreplicirajući

DNK i hromozomi

Infrastruktura Infrastruktura DNDNKK

Količina DNK u ćelijama je veća od zbira produkata svih gena?

Tri tipa DNK sekvenci: satelitska, intermedijerna i jedinstvena.

Satelitske DNA:

veliki broj jednostavnih, kraćih nizova nukleotida;prvi put kod kraba- čist poli dAT 1961;bazni sastav varira od skoro čistog AT do mnogo GC;brzo se renaturišu; pretežno u heterohromatinu;u metafazi blizu centromera; uglavnom se ne transkribuju;species specifične; repliciraju se kasnije u S-fazi;funkcija nije rešena- održavanje organizacije jedra i hromozoma, utiče na brzinu krosing-overa, utiče na specijaciju preuređenjem hromozoma, daje prednost gametima (kukuruz: 10. hromozom, dva mesta vezivanja deobnog vretena, 70% gameta ga nosi);poreklo najverovatnije nejednakom razmenom tokom krosing-overa.

Infrastruktura Infrastruktura DNDNKK

Intermedijerne DNK:

renaturiše se sporije od satelitske DNA a brže od bakterijske- odatle ime;nizovi nukleotida koji su međusobno slični ali ne i identični;ovde su u više stotina-hiljada kopija geni za rRNA i tRNA;prepisuje se ali se ti ponovljeni nizovi isecaju i u zreloj iRNA ih nema;regulatorna uloga ali ne samo to jer je ima mnogo (10-80 %);ravnomerno raspoređena na hromozomima;

Unikalni nizovi:zbog složenosti slabije istraženi;prepisuju se; eksoni i introni-isecaju se;introni su podložniji mutacijama od eksona;nastanak introna nejednakim krosing-overom;uloga introna možda u nastanku novih proteina;složenost genoma određuje se kao ukupan broj baznih parova koji se nalaze u nizovima nukleotida zastupljenim samo sa po jednom kopijom;složenost genoma je srazmerna stepenu evolucije;

Infrastruktura Infrastruktura DNDNKK

Hromozomi čoveka

Metafazna figura hromozoma limfocita periferne krvi čoveka kariogram

2n = 46 XX

Hromozomi su obojeni klasičnom Giemsa - tehnikom

Kariotip normalne ženske osobe – 2n = 46 XX ♀A: 1 – 3

B: 4 – 5

C: 6 – 12

D: 13 – 15

E: 16 – 18

F: 19 – 20

G: 21 – 22

Hromozomi čoveka

Kariotip normalne muške osobe – 2n = 46 XY

Hromozomi čoveka

p p p

q q q q q

METACENTRIKp=q

SUBMETACENTRIK

p<q

SUBAKROCENTRIKili

SUBTELOCENTRIK

p<<q

AKROCENTRIKq

(računa se da akrocentrik ima samo q krake)

Morfologija hromozoma- na osnovu položaja centromere tj. odnosa p i q kraka

TELOCENTRIKP=0

Nepostojani su i realno ne postoje

Hromozomi čoveka

Fluorescentna mikrografija tri para ljudskih hromozoma obojenih primenom različitih bending tehnika (tehnike traka)A: Hromozomi obojeni sa bojom Hoescht 33258 specifičnom za bazne parove A-TB: Hromozomi obojeni sa olivomicinom, bojom specifičnom za bazne parove G-C Crtice označavaju položaj centromere. Zapaža se da su trake – bendovi komplementarni jedni drugima, tako što su trake koje su svetle na (A), tamne na (B) i obratno.(A) (B)

Hromozomi čoveka

Standardna mapa bendiranih hromozoma čoveka – karakteristike traka

Sa leve strane – na obojenojhromatidi predstavljene su karakteristike traka metafaznog hromozoma, a sa desne strane, karakteristike hromozoma rane profaze. Hromozom rane profazeje mnogo izduženiji i tanji, pase na njemu može ustanoviti mnogo veći broj traka. Sve prikazane trake dobijene su bojenjem reagensima specifičnim za regione DNK bogate A-T sekvencama.Prikazan je samo po jedan hromozom iz para homologa.

Hromozomi čoveka

Ljudski genom u brojkama

• Genom čoveka sadrži 3164.7 miliona nukleotida (A, C, T, G).• Prosečni gen je dugačak oko 3000 baza, ali dužina može veoma da

varira od gena do gena.• Najduži gen je gen za distrofin na X hromozomu, dugačak 2.4

miliona baza.• Ukupni broj gena je procenjen na 30,000 do 35,000 što je mnogo

manje od ranije procene od 80 do 140 hiljada.• Skoro svi nukleotidi (99.9%) su identični kod svih ljudi.• Za sada se znaju funkcije za oko 50% do sada opisanih gena.

Replikacija DNK

Replikacija DNK

Replikacija DNK

Replikacija DNK

Replikacija DNK

Replikacija DNK

Enzimi koji učestvuju u replikaciji DNK:• topoizomeraza- ispravlja spiralnu zavojnicu• helikaza- raskida vodonične veze između nukleotida u paralelnim lancima• RNK-primaza- dodaje prve ribonukleotide na jednolančani niz DNK• DNK-polimeraza III- dodaje nukleotide na prajmer• RNK-aza- iseca početne ribonukleotide• DNK-polimeraza I- popunjava prostor posle isecanja ribonukleotida• DNK-ligaza- spaja kraće nizove nukleotida u kontinuirani niz SSB-proteini- sprečavaju da se ponovo stvore h-veze pre vremena