POJAM GENETIKE

Genetika je znanost koja se bavi genima i varijacijama kod živih organizama. Genetika se bavi

molekularnom strukturom i funkcijom gena, ponašanjem gena u kontekstu stanice ili organizma

(npr. dominantnost i epigenetika), nasljeđivanjem roditeljskih gena od strane potomaka, kao i

rasprostranjenosti gena, varijacijama i promjenama u populaciji. Ako je dato da su geni

univerzalni za sve žive organizme, genetika se može smatrati znanošću o svim živim bićima, od

virusa i bakterija, preko biljaka do ljudi. Nasljeđivanje je proces koji dovodi do sličnosti između

roditelja i potomaka, spolnim razmnožavanjem jedne vrste nastaju uvijek potomci te vrste.

Razvoj današnje genetike, koja pokušava shvatiti proces nasljeđivanja, počeo je djelovanjem

Gregora Mendela sredinom 19. stoljeća. Iako on nije poznavao fizičku bazu za nasljeđivanje,

Mendel je primijetio da organizmi nasljeđuju osobine preko diskretnih jedinica za nasljeđivanje,

koje se danas zovu geni.

GENI, DNA I HROMOSOMI

Potomci nasljeđuju od roditelja kodiranu informaciju u obliku nasljednih jedinica koje nazivamo

genima. U diploidnom organizmu svaki hromosom ima svoj homologni par. Jezgra svake

tjelesne stanice ima 2 seta homolognih hromosoma, jedan je očevog, a drugi majčinog porijekla.

Homologni hromozomi

1

Svaki član homolognog para hromosoma nosi jedan od alela gena na određenom mjestu.

Homozigot - homologni hromosomi nose identične alele. Heterozigot - svaki hromosom

homolognog para nosi jedan od dva različita alela.

Heterozigot za dva para alela

Geni su građeni od molekule DNA. To je molekula građena od dva polinukleotidna lanca, a

svaki polinukleotidni lanac građen je od 4 različita nukleotida.

Nukleotid je građen od šećera dezoksiriboze, fosfatne skupine i dušične baze (purinske:

adenin ili guanin i pirimidinske: citozin ili timin).

2

Molekula DNA je dvolančana molekula koju čine dva polinukleotidna lanca omotana oko

zamišljene osi u zavojnicu. Polinukleotidne lance vežu vodikove veze između dušičnih baza u

nukleotidima. Postoji specifičnost sparivanja baza tako da se baza adenin jednog lanca sparuje s

bazom timin u drugom lancu (dvostruka vodikova veza), a baza guanin s bazom citozin

(trostruka vodikova veza). Slijed baza u jednom polinukleotidnom lancu komplementaran je

slijedu baza u drugom polinukleotidnom lancu. Nasljeđivanje ima hemijsku osnovu u replikaciji

DNA pri čemu nastaju kopije gena koje se prenose s roditelja na potomke. Stanični prenosioci

gena su gamete (jajna stanica i spermij), a geni roditelja se kombiniraju u jezgru oplođenog

jajeta (zigoti).

MULTIPLI ALELI

Ako gen ima više od dva alela na razini populacije, govorimo o multiplim alelima odnosno o

varijacijama jednog gena. Unutar genskog lokusa može na različitim mjestima doći do mutacija

od kojih svaka daje novu varijaciju (novi alel), odnosno novi fenotip. Na taj način su nastali

različiti i mnogobrojni alelni oblici gena koje nazivamo multipli aleli.

Diploidni organizam uvijek nosi po dva alela jednoga gena, a svaki alel se nalazi na jednom

homolognom hromosomu. Međutim, s povećanjem broja alela jednog gena u populaciji,

povećava se i broj mogućih genotipova, dok broj fenotipova ovisi o tome jesu li aleli dominantni,

nepotpuno dominantni ili kodominantni.

SPOLNO I NESPOLNO RAZMNOŽAVANJE

Razmnožavanje u prirodi je nespolno i spolno. Sve jedinke nastale nespolnim razmnožavanjem

genetički su identične i predstavljaju klon, izvor varijabilnosti kod takvih jedinki je isključivo

mutacija. Spolno razmnožavanje daje varijabilnost – potomci nastali spolnim razmnožavanjem

genetički se razlikuju od svoje braće i od roditelja. Razlog tome je ponašanje hromosoma tokom

spolnog ciklusa (gametogeneza) koji uključuje mejozu. Procesi mejoze i oplodnje jedinstveni su

zaštitni znak spolnog razmnožavanja.

3

Mejoza je dioba kojom nastaju spolne stanice ili gamete, a odvija se u dvije faze. Prva mejoza je

redukcijska dioba, jer se u anafazi I broj hromosoma reducira s diploidnog (2n) na haploidni (n).

U profazi I sparuju se homologni hromosomi u bivalente. U bivalentu dolazi do krosingovera tj.

do izmjene homolognih dijelova nesestrinskih hromatida homolognih hromosoma što rezultira

novim kombinacijama.

Mejoza II je ekvacijska dioba i identična je mitozi. Mejozom iz jedne diploidne stanice nastaju 4

haploidne gamete, koje su genetički potpuno različite uz pretpostavku da se dogodio barem jedan

krosingover kao što je prikazano na slici.

4

GENETIKA SPOLA

Diferencijacija spola genetički je određena. Mužjak i ženka imaju različite hromosomske

komplemente, što znači da determinacija spola ovisi o nasljeđivanju spolnih hromosoma. Spolni

hromosomi su hromosomi sa spolno-determinirajućim genima; ostali hromosomi hromosomskog

komplementa su autosomi. Hromosomi jedne stanice ili organizma složeni u homologne parove i

poredani prema veličini od najvećeg do najmanjeg para čine kariotip.

Kariotip muškarca – različiti spolni Kariotip ženskog spola – dva identična

hromosomi X i Y. spolna hromosoma xx.

SPOLNO-VEZANI GENI

Spolni hromosomi nose gene koji nisu direktno uključeni u determinaciju spola, ali njihovo

nasljeđivanje ovisi o nasljeđivanju spolnih hromosoma , dakle vezano je uz spol. Geni na

hromosomu X su spolno-vezani ili X-vezani geni.

Na Y hromosomu vrlo je malo aktivnih gena, to su HOLANDRIČNI GENI. Hromosomi X i Y

su djelomično homologni: kraći krak Y hromosoma u kojem se nalazi pseudoautosomalna regija

pari se s istom takvom regijom hromosoma X.

5

NASLJEĐIVANJE SPOLNO-VEZANIH BOLESTI

Sljepoća za boje ili daltonizam – prvo otkriveno spolno-vezano recesivno svojstvo (bolest) u

čovjeka (naziv prema Johnu Daltonu, engleskom hemičaru koji je imao taj nedostatak). U

čovjeka su tri različita gena odgovorna za razlikovanje boja, od toga su dva na X hromosomu.

Svaki gen daje informaciju za fotopigment koji se nalazi u čunjastim stanicama mrežnice

osjetljivima na svjetlost. Svaki fotopigment je osjetljiv na jedan dio vidljivog dijela spektra, a

svaki tip stanice sadrži samo jedan tip fotopigmenta (postoje tri tipa). Fotopigment se sastoji od

retinalnog dijela (vitamin A) i opsina (proteinski dio) koji kontroliraju geni na X hromosomu.

Najčešći oblik poremećaja je crveno-zelena sljepoća za boje, jer nedostaje protein (opsin)

osjetljiv na crveni ili zeleni dio spektra.

6

Crvena sljepoća - DEUTERANOPIA nedostaje opsin za srednju valnu daljinu (zeleno).

Zelena sljepoća – PROTANOPIA (oko 2% muške populacije), nema opsina za dužu valnu

daljinu (crveno).

Dalton je imao deuteranopiju (nema opsina za srednju valnu daljinu – zeleno). Kako je za života

uočio da ne može razlikovati crvenu boju želio je da nakon njegove smrti njegove očne jabučice

budu pohranjene i analizirane. 1994. napravljena je analiza DNA čunjastih stanica mrežnice –

ustanovljeno je da nedostaje opsin za zeleno. Daltonizam se češće javlja kod muškog spola:

8% muške populacije Europe su daltonisti,

4% muške populacije u Africi su daltonisti,

samo 0,4% žena su daltonistice.

Razlog je što gen za to svojstvo nalazi na X hromosomu pa se kod muškog spola koji je

hemizigotan ispoljava uvijek u fenotipu. Daltonizam se može otkriti uz pomoć posebnih tzv.

Ishikara testova.

DUSCHENNE MIŠIĆNA DISTROFIJA

Spolno-vezana recesivna bolest (u Americi obolijeva 1/3500 muške djece) koju karakterizira

progresivno slabljenje mišića i gubitak koordinacije zbog nedostatka mišićnog proteina

DISTROFINA. Distrofiju kao i ostale spolno-vezane recesivne bolesti prenose na svoje sinove

zdrave majke nositeljice (heterozigotni genotip).

Protein distrofin nalazi se u membrani mišićnog vlakna

7

Nasljeđivanje mišićne distrofije

HEMOFILIJA

Spolno-vezana recesivna bolest koja nastaje zbog nedostatka proteina koji sudjeluju u

zgrušavanju krvi: nedostatak antihemofilijskog faktora – hemofilija A; nedostatak

tromboplastina – hemofilija B. Kod hemofilije A nedostaje proteinski kofaktor VIII koji je

neophodan za punu aktivnost faktora IX, u seriji reakcije aktivacije trombina, enzima koji

katalizira pretvorbu topivog fibrinogena u netopljivi fibrin (85% hemofiličara).

Reakcija aktivacije trombina.

8

U 15% hemofiličara B tipa radi se o defektu gena za kofaktor IX koji aktivira faktor X.

Hemofilija se prvi puta spominje u židovskom Talmudu gdje se zabranjuju obrezivanja dječaka

zbog pojave “bolesti nekontroliranog krvarenja” u obitelji. Visoka učestalost hemofilije uočena

je u kraljevskim porodicama Europe (“kraljevska bolest”) zbog velikog broja brakova u srodstvu.

U žena je hemofilija relativno rijetka bolest. Heterozigotne žene (nositeljice) mogu imati blage

simptome bolesti.

GENSKE MUTACIJE

Mutacija je termin koji je prvi koristio De Vries. To je iznenadna (nasljedna) promjena

genetičkog materijala. Evolucijski napredak vrste ovisi o povremenoj sposobnosti gena da

mutiraju. Sve nasljedne varijabilnosti kod živih bića, i dobre i loše, imaju izvor u mutacijama

genetičkog materijala.

Genske mutacije nastaju u somatskim i generativnim stanicama. Somatske mutacije uzrokuju

bolesti (npr. tumor). Mozaicizam vidljiv u fenotipu: npr. mozaičnost šarenice oka, šarolikost

listova i cvjetova. Mutantni aleli su najčešće recesivni, jer je većina alela divljeg tipa

selekcionirana kao dominantna.

Somatska mutacija u genu, stanica tkiva dojke uzrokuje rak dojke.

9

Genske mutacije mogu biti vrlo štetne. Razlog je taj što geni utječu na ekspresiju različitih

svojstava preko biohemijskih procesa. Mutacije su najčešće recesivne jer je u heterozigota

prisutan i normalni alel gena, pa je mutirani alel sakriven iza funkcije normalnoga. Mutacije

nastaju spontano ili su inducirane. Spontane mutacije najčešće nastaju zbog grešaka u replikaciji

DNA (primjerice zbog tautomerne promjene baza). Primjerice tautomerni imino oblik baze

citozina sparuje se s adeninom što nakon replikacije rezultira mutacijom (par CG zamijenjen

parom AT), a inducirane mutacije nastaju djelovanjem fizikalnih i hemijskih mutagena.

Normalni i tautomerni oblici baza

10

Sparivanje tautomernih oblika adenina: amino oblik sparuje se sa timinom, imino oblik

sparuje se sa citozinom.

DETEKCIJA MUTACIJA

Mutacije u haploidnom organizmu lako se otkrivaju jer su sve (i dominantne i recesivne)

izražene u fenotipu. Za detekciju mutacija kod bakterija vrlo je djelotvorna tehnika otiska ili

“replica plating” tehnika.

“Replica plating” tehnika za detekciju otpornosti na antibiotike kod bakterija

11

Kod diploida će se dominantna mutacija u gameti pojaviti u fenotipu potomstva, dok recesivna

mutacija neće biti vidljiva u prvoj generaciji (ukoliko nije spolno-vezana). Bakterijskim

testovima može se detektirati i mutageni potencijal neke hemikalije. Najpoznatiji i najčešće

upotrebljavani test je AMES-ov test (Bruce Ames, 1973.). Bakterijski testovi razlikuju

karcinogene od nekarcinogena s vrlo velikom tačnošću (oko 90%), ekonomičniji su od testova na

životinjama, daju rezultate u kratkom periodu (2 dana), mogu otkriti slabe karcinogene. Osnova

Ames-ovog testa je utvrđivanje genske mutacije koja se javlja kao odgovor na djelovanje neke

supstance. Nisu svi mutageni istovremeno i karcinogeni, ali je korelacija vrlo visoka. Ako je

neka supstanca mutagena vjerovatnost da je i karcinogena je 90%.

POPRAVAK DNA

Molekulu DNA svakodnevno oštećuju zračenje, hemijski mutageni, temperatura i drugo

(enzimske greške, spontani gubitak baza: dnevno nekoliko hiljada baza u svakoj stanici sisavca).

Evolucija nastoji maksimalno reducirati štetni učinak mutacije i stoga su stanice razvile različite

mehanizme za popravak oštećene ili pogrešno replicirane DNA. Tri su glavna mehanizma

popravka: vraćanje na staro (“damage reversal”), ekscizijski popravak i postreplikacijski

popravak.

Fotoreaktivacija (vrsta popravka u bakterija) – enzim (fotoliaza) za popravak veže se u

tami za timinski dimer, izlaganje plavoj svjetlosti aktivira enzim koji cijepa vezu između

timina, DNA segment je popravljen, enzim se oslobađa.

12

Ekscizijski popravak, izrezivanjem baze Ekscizijski popravak: izrezivanjem nukleotida

POPULACIJSKA GENETIKA

Populacijska genetika bavi se proučavanjem genetičke strukture populacije, odnosno analizom

učestalosti gena i genotipova u prirodnim populacijama kao i čimbenicima koji ih određuju.

Populacija je skup jedinki iste vrste koje žive na određenom prostoru i pareći se međusobno

izmjenjuju svoj genetički materijal. U prirodnim populacijama dolazi do panmiksije ili slučajnog

parenja, što znači da svaki član populacije ima jednaku šansu da se pari s bilo kojim drugim

članom populacije suprotnoga spola. Takvo izmjenjivanje gena podliježe Mendelovim zakonima

nasljeđivanja pa se takve lokalne zajednice nazivaju Mendelove.

13

GENETIČKA STRUKTURA POPULACIJE

Frekvencija gena (alela) - udio različitih gena (alela) u nekoj populaciji.

Frekvencija genotipova - udio različitih genotipova u populaciji.

Ako su nam poznate frekvencije alela u nekoj populaciji (R i r) s pretpostavkom da tri moguća

genotipa jednako doprinose genskoj zalihi, tada možemo izračunati frekvencije genotipova kroz

nekoliko generacija.

Frekvencija genotipova roditeljske populacije i frekvencija alela u genskoj zalihi.

R = 0,8; r = 0,2

R+r = 0,8 + 0,2 = 1

Frekvencije genotipova = 0,82 (RR) + 2 x 0,8 x 0,2 (Rr) + 0,22 (rr)

Ovi su genotipovi roditelji u sljedećoj generaciji te daju gamete sa sljedećim frekvencijama:

R = RR + ½ Rr = 0,64 + 0,16 = 0,8

r = rr + ½ Rr = 0,4 + 0,16 = 0,2

Iz ovoga je vidljivo da se frekvencija gena i genotipova nije promijenila u dvije generacije.

14