Geni in mutacije

Pakiranje in organizacija DNA v celici

• DNA vsebuje genetske informacije za izgradnjo in delovanje beljakovin. Za ustrezno hrambo v celici se DNA navija na beljakovine histone, s čimer nastane kromatin oziroma kromosom.

• Stopnje kondenzacije DNA:

  • Dvojna vijačnica DNA: Premer vijačnice znaša $2\,\text{nm}$. Zgrajena je iz nukleotidov (dušikova organska baza, deoksiriboza in fosfatna skupina). Negativno nabite fosfatne skupine na zunanji strani vijačnice privlačijo pozitivno nabite beljakovine histone.

  • Histoni: Pozitivno nabite beljakovine, ki se povezujejo z molekulo DNA. Histoni predstavljajo približno polovico mase kromatina, drugo polovico pa predstavlja DNA. Obstaja več različnih vrst histonov, ki omogočajo zvijanje molekule DNA.

  • Nukleosom: Osnovna enota kondenzacije kromosoma s premerom $10\,\text{nm}$. V nukleosomu je molekula DNA dvakrat ovita okoli skupka osmih molekul histonov. Med izražanjem gena in v času podvojevanja DNA se povezava med DNA in histoni začasno prekine.

  • Nitka s premerom $30\,\text{nm}$: Histoni iz sosednjih nukleosomov se povežejo, zaradi česar se nitka s premerom $10\,\text{nm}$ zavije in zloži v debelejšo nit s premerom $30\,\text{nm}$. Ta stopnja kondenzacije prevladuje v interfazi celičnega cikla.

  • Območje zank ($300\,\text{nm}$): Nitka s premerom $30\,\text{nm}$ se pritrdi na beljakovinsko ogrodje kromosoma, navzven pa tvori zanke, s čimer nastane nitka s premerom $300\,\text{nm}$.

  • Metafazni kromosom ($1400\,\text{nm}$): Območja z zankami se dodatno zvijajo in zlagajo v zelo zgoščen kromosom premera $1400\,\text{nm}$, v katerem ima posamezna kromatida premer $700\,\text{nm}$. Na metafaznem kromosomu ima vsak gen točno določeno mesto. Ker se je kromatin pred začetkom mitoze že podvojil, sestavljata vsak metafazni kromosom dve kromatidi.

• Povezava med genetskim zapisom in lastnostmi organizma: DNA (dedne informacije za beljakovine) $\rightarrow$ Kromosom / Kromatin (DNA navita na histone) $\rightarrow$ Dejavnosti beljakovin (gradniki celic, encimi, omogočajo sodelovanje celic) $\rightarrow$ Lastnosti organizmov.

Genom in organizacija genetske informacije

• Genom je celokupna genetska informacija celice, organizma ali virusa.

• Organizacija genoma pri prokariontom in evkariontom:

  • Prokarionti: Osnovni genom predstavlja en krožni kromosom (krožna molekula DNA; izjemoma $2$ ali $3$ kromosomi). Izvenkromosomska DNA obsega plazmide (krožna ali linearna DNA) in fage.

  • Evkarionti: Osnovni genom sestavlja en ali več linearnih kromosomov v celičnem jedru. Izvenkromosomska DNA obsega:

  • Mitohondrijska krožna DNA: Majhna molekula, po strukturi podobna prokariontom. Deduje se izključno po materi. Spremembe v mitohondrijski DNA vplivajo na lastnosti in pojav bolezni.

  • Kloroplastna krožna DNA: Majhna krožna molekula pri rastlinah in algah.

• Velikost genoma in število genov pri izbranih organizmih:

  • Bakterija (Escherichia coli K-12): Velikost genoma $4,6\,\text{Mbp}$, približno $4400$ genov.

  • Kvasovka (Saccharomyces cerevisiae): Velikost genoma $12\,\text{Mbp}$, približno $5700$ genov.

  • Vinska mušica (Drosophila melanogaster): Velikost genoma $180\,\text{Mbp}$, približno $14000$ genov.

  • Riž (Oryza sativa): Velikost genoma $383\,\text{Mbp}$, približno $30000$ genov.

  • Trobentasta lilija (Lilium longiflorum): Velikost genoma $90000\,\text{Mbp}$, število genov neznano.

  • Riba pljučarica (Protopterus aethiopicus): Velikost genoma $130000\,\text{Mbp}$, število genov neznano.

  • Navadna kokoš (Gallus gallus): Velikost genoma $1000\,\text{Mbp}$, približno $17500$ genov.

  • Siva podgana (Rattus norvegicus): Velikost genoma $2800\,\text{Mbp}$, približno $24000$ genov.

  • Pes (Canis lupus familiaris): Velikost genoma $2500\,\text{Mbp}$, približno $19000$ genov.

  • Šimpanz (Pan troglodytes): Velikost genoma $3200\,\text{Mbp}$, približno $20000-25000$ genov.

  • Človek (Homo sapiens): Velikost genoma $3200\,\text{Mbp}$, približno $23000-25000$ genov.

Genom človeka in kariotip

• Sestava in število kromosomov v človeških celicah:

  • Telesne celice (živčne, mišične, kostne, zarodne celice …): Vsebujejo $46$ kromosomov ($2n$ - diploidna garnitura).

  • Eritrociti: Vsebujejo $0$ kromosomov.

  • Spolne celice (jajčna celica, semenčec): Vsebujejo $23$ kromosomov ($n$ - haploidna garnitura).

• Razdelitev kromosomov po vrstah:

  • Telesni kromosomi / avtosomi: V telesni celici jih je $44$ ($2 \times 22$), v spolni celici pa $22$. Avtosomi so homologni – enaki po številu, obliki in velikosti genov.

  • Spolni kromosomi: V telesni celici sta $2$ spolna kromosoma ($XX$ - homologna, $XY$ - nehomologna). V spolni celici je $1$ spolni kromosom ($X$ ali $Y$).

• Psevdoavtosomalni regiji $1$ in $2$ na kromosomih $X$ in $Y$ omogočata parjenje med mejozo.

Struktura gena, ribosomi in izražanje genoma

• Gen: Odsek genoma, ki se prepiše v molekulo RNA (mRNA, rRNA, tRNA ter regulatorne RNA, ki uravnavajo izražanje genov).

• Osnovni genetski pojmi:

  • Alel: Različna oblika ali različica posameznega gena (npr. alel za normalen hemoglobin vs. alel za hemoglobin srpaste anemije; alel za krvno skupino A vs. alel za krvno skupino B).

  • Istovrstna gena: Gena na homolognih kromosomih.

  • Lokus: Mesto gena na kromosomu.

• Zgradba ribosoma: Sestavljen je iz velike in male podenote. Sestavljajo ga molekule ribosomske RNA (rRNA) in beljakovine.

• Sestava človeškega genoma:

  • Vsebuje približno $3,2\,\text{milijarde}$ ($3,2 \times 10^9$) nukleotidov.

  • Vsebuje $23000-25000$ genov, kar je nepričakovano malo glede na kompleksnost organizma.

  • Pri izdelavi protiteles se različni odseki DNA kombinirajo v nove gene.

  • Sestava genetskih zaporedij človeškega genoma:

  • Do $2\%$ predstavljajo eksoni (kodirajoča zaporedja).

  • $36\%$ predstavljajo introni, psevdogeni in regulatorna zaporedja.

  • $62\%$ predstavlja medgenska DNA, od česar je $44\%$ ostankov transpozicijskih elementov, $15\%$ ponavljajočih se zaporedij in $3\%$ ostalih zaporedij.

  • Medgenska DNA vsebuje pomembne dele za uravnavanje izražanja genov. Neno določanje poteka s pomočjo bioinformatike.

• Alternativno izrezovanje (splicing):

  • Po izrezovanju vseh intronov nastane mRNA 1, ki daje Protein 1.

  • Po izrezovanju vseh intronov in enega eksona nastane mRNA 2, ki daje Protein 2.

  • Po izrezovanju vseh intronov in dveh eksonov nastane mRNA 3, ki daje Protein 3.

Genotip in fenotip

• Genotip: Skupek vseh podedovanih informacij posameznega organizma.

• Vrste alelov in genskih kombinacij:

  • Dominantni alel: Označujemo z velikimi črkami ($A, B, C$).

  • Recesivni alel: Označujemo z malimi črkami ($a, b, c$).

  • Dominantni homozigot: Dva istovrstna dominantna alela ($AA, BB, CC$).

  • Recesivni homozigot: Dva istovrstna recesivna alela ($aa, bb, cc$).

  • Heterozigot: Dva različna alela ($Aa, Bb, Cc$).

• Fenotip: Vse opazne lastnosti organizma, ki se razvijejo na podlagi genotipa in vplivov okolja. Lastnosti lahko vidimo, merimo ali zaznavamo ter se nanašajo na morfologijo, fiziologijo, biokemijo ali vedenje organizma.

  • Primeri: Izražanje krvnih skupin poteka brez vpliva okolja. Barva dlake pri siamskih mačkah je podvržena vplivu temperature okolja.

Mutacije in njihova razvrstitev

• Mutacije: Spremembe v genomu (sprememba v nukleotidnem zaporedju), ki se ne popravijo in se dedujejo na potomce (iz materinske na hčerinski celici ali iz staršev na potomca).

• Razdelitev mutacij glede na tip celic, v katerih nastanejo:

  • Mutacije v telesnih/somatskih celicah: Informacija se prenese le na potomke te specifične celice. Nahajajo se le v predelu, kjer so nastale mutirane celice; nobeno gameto odrasle osebe ne prizadenejo.

  • Mutacije v zarodnih celicah: Mutacija nastane v celici, iz katere je nastala gameta (spermij ali jajčna celica). Informacija se prenese na vse celice potomca (telesne in spolne celice). Polovica gamet odrasle osebe nosi mutacijo.

• Mutacije nastajajo na različnih stopnjah razvoja organizma. Nekatere mutacije ne vplivajo na fenotip, druge povzročajo rakava obolenja.

• Tri glavne ravni mutacij: genske, kromosomske in genomske mutacije.

Genske mutacije

• Genske mutacije so mutacije v genu, zaporedjih, povezanih z izražanjem genov, ali krajših nekodirajočih odsekih DNA in imajo različne fenotipske učinke na organizem.

• Točkovna mutacija: Mutacija, pri kateri se na DNA spremeni samo en nukleotid.

• 1. Zamenjava ali substitucija enega nukleotida z drugim v DNA:

  • Pojavi se sprememba v tripletu/kodonu, ki kodira beljakovino, kar lahko vodi v drugače oblikovano beljakovino.

  • Tiha mutacija: Spremenjeni kodon kodira enako aminokislino, zato ni vpliva na zaporedje aminokislin.

  • Nevtralna mutacija: Sprememba aminokisline ne vpliva na lastnost in delovanje beljakovine.

  • Drugačnopomenska (missense) mutacija: Spremenjena aminokislina vpliva na zgradbo in delovanje beljakovine.

  • Primer: Anemija srpastih celic nastane zaradi zamenjave glutaminske kisline z valinom, kar spremeni obliko rdeče krvničke iz normalne diskaste v srpasto obliko.

  • Nepomenska (nonsense) mutacija: Kodon se spremeni v STOP kodon ($UAA, UAG, UGA$). Beljakovina je krajša in redko funkcionalna.

• 2. Vstavitev ali izguba nukleotida:

  • Sprememba čitalnega okvirja (frameshift): Vstavitev ali izguba $1$ ali $2$ nukleotidov premakne čitalni okvir, kar vodi do nepomenske mutacije (predčasen STOP kodon) ali drugačnopomenske mutacije s popolnoma spremenjenim zaporedjem aminokislin.

  • Brez spremembe čitalnega okvirja: Izguba ali vstavitev celotnega tripleta ($3$ nukleotidi) ne spremeni čitalnega okvirja preostanka gena, temveč uzrokuje le izgubo ali pridobitev ene aminokisline.

Vzroki za nastanek mutacij

• Rozvrstitev mutacij glede na vzrok nastanka:

  • Spontane mutacije: Nastanejo kot posledica presnove celice (med podvajanjem DNA).

  • Inducirane mutacije: Nastanejo zaradi vpliva okoljskih dejavnikov – mutagenov.

  • Letalne mutacije: Povzročijo smrt celice ali organizma.

• Vrste mutagenov:

  • Fizikalni mutageni: Ionizirajoče sevanje, UV-žarki ($UVA, UVB$), X-žarki, gama žarki, kozmično sevanje.

  • Timinski dimer: UV-sevanje povzroči nastanek kovalentne vezi med dvema zaporednima timinoma znotraj iste verige DNA, kar krivi vijačnico.

  • Kemijski mutageni: Analogi baz, nitriti, formaldehid.

Kromosomske mutacije

• 1. Podvojitev dela kromosoma (duplikacija):

  • Del kromosoma se podvoji. Zaradi povečane količine produkta gena (npr. gena B) se poruši normalno razmerje nastalih beljakovin, kar lahko povzroči nenormalen razvoj zarodka.

• 2. Izguba dela kromosoma (delecija):

  • Prekinitev obeh verig DNA na kromosomu vodi v izgubo odseka kromosoma. Odlomljeni deli se lahko zlepijo z drugimi kromosomi.

  • Izguba centromere močno vpliva na potek mitoze in mejoze.

• 3. Obrat dela kromosoma (inverzija):

  • Prekinitev obeh verig DNA, odsek se obrne za $180^\circ$ in ponovno vgradi. Spremeni se fenotip in izražanje genov zaradi spremenjenega okolja genov.

• 4. Premestitev/translokacija dela kromosoma:

  • Premestitev dela kromosoma na isti ali drug nehomologni kromosom (recipročna translokacija).

  • Filadelfijski kromosom: Nastane s premestitvijo $(9;22)$, kjer se združita gena BCR in c-ABL.

  • Nastanek raka zaradi nenormalne delitve celic sprožijo:

  • Izgube genov za uravnavanje celičnega cikla.

  • Premestitve dela kromosoma, ki prekinejo ali spremenijo izražanje genov.

Genomske mutacije - Anevploidije

• Anevploidije: Povečanje ali zmanjšanje števila posameznih kromosomov. So posledica nerazdvajanja homolognih kromosomov v mejozi I ali nerazdvajanja sestrskih kromatid v mejozi II.

• Oblike anevploidij:

  • Nulisomije ($2n-2$): Manjkata oba homologna kromosoma.

  • Monosomije ($2n-1$): Manjka en kromosom.

  • Trisomije ($2n+1$): En dodaten kromosom.

  • Downov sindrom: Trisomija $21$. kromosoma ($2n+1$) s specifičnimi fenotipskimi lastnostmi.

• Anevploidije spolnih kromosomov:

  • Turnerjev sindrom ($X0$): Neplodne ženske, brez sekundarnih spolnih znakov.

  • Klinefelterjev sindrom ($XXY, XXXXY, XXYY$): Neplodni moški brez tipične moške poraščenosti.

  • Poli-X ženske ($XXX$): Suhe, visoke, plodne ženske.

Genomske mutacije - Poliploidije

• Poliploidije: Mutacije, pri katerih se poveča število haploidnih kromosomskih garnitur. Organizem (kuščarji, dvoživke, ribe, rastline) je večploiden ($3n, 4n, 5n, \dots$).

  • Povečana je presnova in celice sintetišejo več beljakovin. Celice in tkiva so večja, kar se s pridom uporablja v vrtnarstvu in poljedelstvu.

• Vrste poliploidije:

  • Avtopoliploidija: Kromosomske garniture izvirajo iz iste vrste. Napake nastanejo med mitozo ali mejozo. Primeri: banane brez koščic ($3n$), lubenice brez pečk ($3n$).

  • Alopoliploidija: Nastane s križanjem dveh sorodnih vrst. Ker kromosomi niso homologni, se med mejozo ne parijo pravilno, zato so hibridi generacije $F_1$ sterilni in se razmnožujejo nespolno. Če se kromosomi podvojijo, nastane ploden alotetraploid.

• Mehanizem alopoliploidije:

  • Vrsta 1 ($2n = 6$, sestav $AA\,BB\,CC$) tvori spolne celice $ABC$.

  • Vrsta 2 ($2n = 6$, sestav $DD\,EE\,FF$) tvori spolne celice $DEF$.

  • Združitev ustvari hibrid $F_1$ generacije z $2n = 6$ ($ABCDEF$). Ker ima hibrid $6$ nehomolognih kromosomov, ki se med mejozo ne parijo, je sterilen.

  • Zaradi nerazdvajanja med mitozo se število kromosomov podvoji v alotetraploid ($4n = 12$, sestav $AA\,BB\,CC\,DD\,EE\,FF$).

  • Alotetraploid po gametogenezi tvori normalne spolne celice ($ABCDEF$) in je s tem ploden.