GENEETIKA (2)

Mida tähendab fingerprintimine. See on mikrosatelliitse kordus DNA määramine. Mikrosatelliidid on kiiresti muteeruvad mittekodeerivad DNA lõigud, mis koosnevad tandeemselt korduvatest nukleiididest. Kuna nad muteeruvad suhteliselt kiiresti, siis populatsioonid erinevad korduste arvu poolest. Esmalt koguti üle Aafrika eri elevantide fecest, eraldati sealt DNA ja määrati referents proovid . Seejärel eraldati spetsiaalse meetodiga salakaubana konfiskeeritud elevandiluust DNA ja võrreldi mikrosatellitide korduseid referntsiga.
Genotüüp = organismi geenide (alleelide) kogum
Fenotüüp = organismi tunnuste kogum
Monohübriidne = kahe erineva homosügoodi ristamine (erinevad tunnused)
Vastastikune ristamine (retsiprookne) = tunnused vahetatakse ristamiseks erinevatel sugupooltel (kui tulemus ei muutu, siis tunnus ei ole seotud sooga)
Dihübriidne ristamine = ristatakse kahe tunnuse suhtes erinevaid homosügoote
F1 x F1 ristamine: Mendel avastas, et tunnus, mis ei avaldunud I põlvkonnas tuli tagasi teises põlvkonnas suhtega 1:3 ehk iga vanema fenotüübiga sarnase organismi kohta tuli üks, mis oli sarnane ühe vanavanemaga.
Fenotüübiline lahknemine seotud alleelide lahknemisega ( lahknemisseadus ).
Kõik tagasiristamised erinevate fenotüüpidega isenditel olid ühesugused, mis näitab, et tunnus antakse üle ühe kindla determinandiga, millised omavahel kombineeruvad.

F1 oli alati sarnane ühe vanema tunnusega.

F2 ilmus välja F1 põlvkonnas kadunud tunnus, küll madala sagedusega, kuid alati 1:3.
“Mendeli lahknemise printsiip”: Retsessiivsed tunnused kahe erineva homosügootse isendi ristamisel ilmuvad alles teises põlvkonnas ja alati sarnase sagedusega
Kaasaegne sõnastus lahknemise printsiibile: Gameetide küpsemisel geenid lookuses lahknevad ja kumbki neist paigutub ühte gameeti. Erinevate kromosoomide geenid on gameetide küpsemisel üksteisest sõltumatud.
Trihübriidne ristamine: Kolm sõltumatut tunnuspaari.
Tulemused: 8 erinevat gameeti annavad 64 kombinatsiooni , 27 erinevat genotüüpi, 8 eri fenotüüpi (2 x 2 x 2). Statistiline fenotüüpide suhe = 27:9:9:9:3:3:3:1. Metsik alleel – populatsioonis enim levinud alleel.
Mendeli seadused kokkuvõtvalt:
Ühtsuse seadus F1 ka domineerimise seadus: F1 järglased kahe selle tunnuse suhtes erineva isendi ristamisel, sarnanevad alati vaid ühele vanemale. Miks? Siledat seemet määrav alleel(S) domineerib täielikult kortsulisust määrava alleeli(s) üle.
Lahknemise seadus: F1 põlvkonnas maskeerunud retsessiivne tunnus ei ole kadunud, vaid ilmub välja uuesti kindla sagedusega F2 põlvkonnas. Geenid samas lookuses lähevad eri gameetidesse nende küpsemisel.
Geenide sõltumatu jaotumise seadus: Eri tunnuseid määravad alleelid lahknevad üksteisest sõltumata. Eri kromosoomides olevad geenid ei ole omavahel seotud ja jagunevad üksteisest sõltumata eri gameetide vahel.
Tõenäosus, et kaks üksteist välistavad sündmust toimuvad on võrdne kummagi nähtuse tõenäosuste summaga .
Geneetiliste andmete statistiline analüüs:

Mendeli suhteid saab ennustada matemaatiliselt Þ null hüpotees.

Null hüpotees = erinevused on juhuslikud.

Võrdleme null hüpoteesi saadud andmetega , kuidas need sobituvad eeldatavate tulemustega.
Kokkuvõte:
Mendeli geneetika ehk mendelismi aluseks on geenide ülekanne vanematelt järglastele ehk põlvkonnast põlvkonda. Geenide ülekande mehhanism põhineb alleelipaari lahknemisel ehk segregatsioonil erinevatesse gameetidesse ning wrinevate alleelipaaride sõltumatul jaotumisel sugurakkudesse.
Mendelismi printsiibid ja seaduspärasused on universaalsed kõikide suguliselt paljunevate organismide korral. Mendeli seaduspärasused on oma loomult statistilised . Paljud fenotüübilised tunnused on määratud enam kui ühe lookuse poolt. Geenid ja nende produktid interakteeruvad genoomiga ja modifitseerivad nii fenotüüpe kui Mendeli seaduspärasustest tulenevaid suhteid.
Rakk – elusa looduse väikseim ühik, millel on kõik elule iseloomulikud omadused: Liikumine, Elektrijuhtivus , Ainevahetus , Sekretsioon , Ekskretsioon , Hingamine , Paljunemine.
Eukarüootse raku tsükkel: raku kasv, mitoos ja interfaas .
G1: Rakk valmistub kromosoomide replikatsiooniks.
S: DNA kahekordistub ja moodustuvad uued kromosoomid (sõsarkromatiidid).
G2: Rakk valmistub jagunema.
M: Mitoos
Mitoos:
DNA replikatsioon (kromosoomide duplitseerumine), millele järgneb raku jagunemine. Selle tulemusena me saame kaks geneetiliselt identset rakku.
Meioos:
Sugurakkude moodustumise käigus toimuv paljunemine, mis algab samuti DNA replikatsiooniga ja kromosoomide kahekordistumisega, kuid milles on kaks järjestikust jagunemist. Seepärast kromosoomide arv väheneb poole võrra. Saame meioosi tulemusena neli haploidset tütarrakku, mis diferentseeruvad siis viljastumisvõimelisteks sugurakkudeks ehk gameetideks. Gameedid ei ole enam geneetiliselt ühesugused,sest ka meioosis võivad esineda mutatsioonid . Toimub ristsiire ja homoloogsete kromosomide sõltumatu jaotumine.
Mitoos (keha ehk somaatilised rakud ): Esineb nii haploidsetes (1N) kui diploidsetes (2N) keharakkudes. Protsess pidev – neli staadiumi.
Profaas - Kromosomid tihenevad ja lühenevad, muutuvad valgusmikroskoobis nähtavateks. Tsentrioolid hakkavad liikuma ja tuuma ümbris kaob.
Metafaas - Tuumamembraan on kadunud. Duplitseerunud kromosoomid on koos tsentromeerses piirkonnas ja koonduvad raku keskele (ekvatoriaaltasapinnale) ja moodustub mitoosi kääviniidistiku.
Anafaas - Tütarkromatiidid liiguvad poolustele ja algab tsütokinees ehk raku tsütoplasma jagunemine.
Telofaas - Tuumaümbris taastub , kromosoomid despiraliseeruvad ja rakud eralduvad teineteisest. Oleme saanud kaks identset rakku .
Meioos ( sugurakud ): Esineb vaid teatud organismi elutsükli ajal. Meioosis on alati kaks raku jagunemist järjestiku (n. I meiootiline jagunemine ja II meiootiline jagunemine) mille käigus alul tekib kaks rakku, milles on kummaski üks homoloogne kromatiidide paar), kuid enne teist jagunemist ei toimu kromosoomid dupliktsiooni. Selle tulemusena tekib algsest diploidsest rakust neli haploidset rakku. Loomadel protsess gametogenees -> gameedid. Taimedel sporogeneees -> spoorid .
I meioos: Kromosoomide arv läheb haploidseks (1N). Neli analoogset mitoosiga faasi, kuid põhimõttelised erinevused:
Profaas I Sarnane mitoosiga, kuid homoloogsed kromosoomid paarduvad ja toimub ristsiire.
Metafaas I Kromosoomide paarid koosnevad kumbki kahest kromatiidist (bivaledid), mis koonduvad ekvatoriaaltasapinnale. Toimub erinevalt mitoosist homoloogsete kromosoomide (isa ja ema) sõltumatu jaotumine moodustuvate rakkude vahel
Anafaas I Analoogne mitoosiga, homoloogid eri poolustele.
Telofaas I Sama mis mitoosis, moodustub tuumaümbris ja tsütoplasma jaguneb kaheks.
II meioos: Sarnane mitoosiga, aiinult ei toimu DNA replikatsiooni. Samuti neli faasi:
Profaas II Kromosoomid spiraliseeruvad. .
Metaphase II Moodustub kääv ja kromosoomid ekvatoriaaltasapinnale
Anafaas II Kumbki kromatiid läheb poolusele
Telofaas II On moodustunud neli haploidset rakku, Kuid igas rakus on nüüd paarist üks kromosoom , mis tänu ristsiirdele on vanemate kromosoomist erinev. Samuti on igas haploidses rakus segu isa ja ema kromosoomidest .
Meioosi olulisus:

Tänu kahele järjestikusele jagunemisele moodustuvad haploidsed rakud ja säilitatakse sellega liigile omane karüotüüp.

Isalt ja emalt saadud kromosoomid lahknevad juhuslikult esimeses metafaasis ja seega on tagatud sugurakkudes kromosoomide tasemel rekombineerumine . Võimalik kombinatsioonide arv ehk eri sugurakkude arv 2n-1.

Ristsiire ema ja isa kromosoomide vahel annab meile rekombineerumise geenide tasemel. Erinevate gameetide küpsemisel on ristsiire erinev eri rakkudes.
Kromosoomide arv ühe liigi piires on ühesugune. Varieerub see vaid liikide vahel.
Diploidne rakk on selline keharakk , kus on kaks kahekordne kromosoomistik .
Haploidne rakk – sugurakk, seal on ühekordne garnituur .
Võib olla ka rakke, mis on polüploidsed (nisu, paljud põllukultuurid). Aneuploidsus – mõni kromosoom rohkem/vähem selle raku garnituuris. See ei säilu, kuid teatud juhtudel võib see edasi kanduda. Fenotüüpide suur muutus.
Morgani katsed äädikkärbsega:
Kromosoomide päriliku materjali edasikandmine määrati ära eksperimentaalselt. Kantakse edasi sugukromosoomide kaudu. Tema laboratoorium töötas ainult äädikakärbsega, töö oli ääretult igav. Nad leidsid kogemata ühe mutantse äädikkärbse, kellel olid valged silmad. Kõik valged olid isased.
Väga sageli meioosi käigus kromosoomid võrdeliselt ei jaotu. Kui tegemist on x-kromosoomi häirega, siis reeglina ei hakka need arenema. Y-kromosoomi puhul aga hakkab, kuna seal ei ole väga palju elutähtsaid geene.
50% poistest mutatsioonikandja ja 50% on normaalsed. Sellised allelsed erinevused gameetide küpsemisel põhjustavad seda, et embüronaalne areng muutub võimatuks ja seda ei viida lõpuni, looted aborteeruvad.
Soo määramise kaks põhilist mehhanismi:

Genotüübil põhinev (Y kromosoom; X kromosoom)

Keskkond määrab soo: e.g., kilpkonnadel näiteks (> 32°C saame emased ; Ka keskkond võib määrata ära millisest soost isendid tulevad. Arvatakse, et soo tekkimine on evolutsioonis olnud juhuslik protsess ja ta on lihtsalt edasi arenenud. Kui peaks juhtuma, et see lõppeks ära ja jääks suguta paljunemine, siis tõenäoliselt ei tekiks uut sugulist paljunemist. Suguline paljunemine on paljunemise mõttes ebaefektiive, sest järglase saamiseks peab olema kaks erineva sooga indiviidi.
Y kromosoomi olemasolu ükipäini ei mõjuta sugu, vaid tähtis on see, palju on X-kromosoome sugukromosoomide suhtes. Üks x-kromosoom annab meile elujõulised isendid, kes on küll teatud puuetega, kuid on siiski elus.
Y kromosoomi roll: Y kromosoom määrab arengu isase suunas.

Seda näitab aneuploidia:
XO “ Turner Syndrome ” :Emane; Steriilne; 1/10,000 (enamus looteid küll sureb enne sündimist). Ellujäänutel madal sünnikaal, lühike kasv, mitte arenenud sekundaarsed soo tunnused ja genitaalid
XXY “Klinefelter Syndrome” : Isased; 1/1000; Üle keskmise pikad, ala-arenenud testised, umbes pooltel kasvavad teatud määral rinnad .
XYY-Isased, STERIILSED , KÕHNAD, PIKKA KASVU.
XXX-Emased, normaalsed, vahel probleeme viljakusega
Kui meil on kaks ühesugust kromosoomi (XX), siis üks neist on inaktiivne. See võetakse maha ainult gameetide küpsemisel.
Barri kehake välistab geeni üleekspressiooni. Barri kehakese moodustamine reguleeritakse spetsiaalse lookuse poolt nn. X kromosoomi inaktivatsiooni tsenter (Xic). Teine geen, Xist, toodab RNA, mis katab X kromosoomi ja sellega takistab tema ekspressiooni (ingl.k silencing). Barri kehake on inaktiveeritud x-kromosoom. Selliste fenotüüpide määramine ei ole lihtne. Paljudel juhtudel määratakse see geeni ekspressioonis tekkinud valgu ja … toimel.
Meessugu määrav geen on Y kromosoomis:

• Geen (SRY)toodab testist-määravat faktorit (testis-determining factor )
  
• See määrab gonaadi arengu.
  
• Kõik ülejäänud arengu erinevused tulevad juba hormonaalsest mõjust ja gonaadide tegevusest
  
• SRY produkt on tegelikult transkr. faktor, mis reguleerib teiste geenide tööd samas Y kromosoomi regioonis
  

Y-kromosoomis pole elule tähtsad geenid. Ta on tegelikult varases embüroloogilises arengus kätteandev suund, mis määrab ära kas embüro areneb mehe või naise suunal. See on ka kõik. Nii kui gonaadi algjoon ühele või teisele poole on tekkinud, määrab ära see ülejäänud embüronaalse arengu. Aga see esimene “nõks” peab toimuma.
X kromosoomi-autosoomide tasakaal - Drosophila :

• Y ei määra sugu (XXY emane, XO isane ).
  
• Sugu määratakse X suhtega autosoomidesse (A). (Norm.emane AA ja XX 1:1; Norm.isane AA ja XY 1:2)
  

• Vastupidi imetajatele on isasel Drosophilal X kromosoom ülereguleeritud nii et transkriptsiooni tasandil on see sama mis XX emasel.
  
• Aneuploidsel kärbsel:
  

Emane X:A ≥ 1.0
Isane X:A ≤ 0.5
Interseks 0.5 ≤ X:A ≤1.0 (steriilne, mõlemate sootunnustega
Sõltub sellest palju x-kromosoome autosoomide suhtes on.
Emaefekt:
On seotud sooga, kuid ei ole määratud otseselt geenide poolt tuuma genoomis , vaid ekspressiooni profiiliga viljastatud munaraku varases arengus, mida mõjutavad munaraku tsütoplasmasse kogunenud valgud või RNA. Need on vajalikud organismi varases arengus

• Valgud ja mRNA on juba munarakus enne viljastamist
  
• Geenid mida nad mõjutavad on tuumas
  

Ei ole seotud geenide või genoomi muutustega , vaid on puhtalt geeni ekspressiooni tulemus. Kui munarakk küpseb foliikulas, siis munaraku valgud, mida tsütoplasmas on terve rida, moodustuvad sellest munaraku genoomist endast. Need valgud, mis on sinna ennem tulnud, mõjutavad väga varast embüronaalset arengut ja selle tõttu võib tekkida muutus, mis ei allu II põlvkonnas Mendeli seadusele.
Genoomne imprinting
Inaktiveeritakse kogu eluks teatud geenid ühes homoloogis, et vältida liigset geeni ekspressiooni nn. monoalleelne ekspressioon . See toimub juba gameedis selle küpsemise käigus. Ei ole tegemist ema efektiga .
Üks kromosoom inaktiveeritakse ära, et ei oleks meil üledoosi. Genoomne imprinting tähendab seda, et lookuses ühe gameedi alleel on inaktiveeritud ja seda tehakse gameedi küpsemise käigus. Imprintingu erinevus geeni ekspressioonist on see, et imprinting jääb organismile kuni elu lõpuni.
Üks põhiline imprintingu mehhanism on DNA metüleerimine .
Mendeli seaduste laiendused ehk kõrvalekalded Mendeli tunnuste ülekannetest:

Geen-geen interaktsioonid genoomis

Mitmikalleelsus

Keskkonna mõju fenotüübile
Kõrvalekalded Mendeli seaduspärasustest

Mendeli seaduspärasused on lihtsad dominant /retsessiiv seaduspärasus; molekulaarselt tähendab see, et kahe geeni poolt toodetud valk juba 50% ulatuses on piisav tunnuse tekkeks; retsessiiv tavaliselt ei tooda seda valku

X-liitelisus- naissoost isenditel sama dominant/retsessiiv suhe; retsessiivne ekspressioon isastel, mis muudab Mendeli suhet

Letaalsed alleelid – alleel, mis põhjustab organismide surma, sageli embrüonaalselt; molekulaarselt on letaalsed alleelid nn. Funktsiooni kaotanud alleelid, mis olulised organismi norm arenguks

Mittetäielik domineerimine – heterosügoodi fenotüüp vahepealne; molekulaarselt ei ole dominantse geeni poolt sünteesitud geeniprodukt piisav täielikuks tunnuse avaldumiseks

Kodominantsus – mõlemad alleelid on heterosügoodil ekspresseeritud; molekulaarselt on geeniproduktid veidi omavahel erinevad ja nad ka funktsioneerivad veidi erinevalt, kuid nad mõjutavad fenotüüpi võrdselt

Üledomineerimine – evolutsiooniliselt välja kujunenud olukord, kus heterosügootne seisund on kasulikum kui kumbki homosügoot; näiteks heterosügoot resistentne infektsioonile, dimeerne valk aktiivsem, valk töötab laiemates keskkonna tingimustes jne.

Mittetäielik penetrantsus – geeni olemasolu ei tähenda veel alati tunnuse kujunemist. Sõltub geen-geen interaktsioonist aga samuti keskkonnast

Soo poolt mõjutatud tunnused – geenid võivad väljenduda dominantselt ühel soopoolel ja teisel retsessiivselt. Geeni ekspressiooni mõjutavad näiteks suguhormoonid (kiilaspäisus)

Sooga piiratud pärilikkus – tunnus esineb ainult ühel soo poolel. Fenotüüp otseselt ja ainult seotud esmase suguhormooni produktsiooniga (rindade areng naistel)

Polüalleelsus – populatsiooni tasemel rohkem kui kaks alleeli, mis erinevate individuaalsete kombibnatsioonide korral mõjutavad indiviidide fenotüüpe erinevalt .
Polü- ehk mitmikalleelsus:

• Paljudel juhtudel on ühe liigi indiviididel olemas rohkem kui kaks alleeli samas lookuses (see on populatsiooni genofondis)
  
• Diploidne indiviid omab sellest kogusest siiski ainult kahte, mis juhusliku ristumise korral kombineeruvad juhuslikult kui nad ei allu valikule
  

ABO vererühmad, Drosophila silmavärvus .
Metsik alleel on see alleel, mida kannavad enamus populatsiooni liikmetest. Polümprfne tunnus on selline, mis ületab oma sagedusega populatsioonis rohkem kui 1%.
Dominantse suhtelisuse molekulaarne alus mitmikalleelsuse korral: Geenid kodeerivad valke ja transkriptsiooni faktoreid, mis eri alleelide korral on erineva aktiivsusega ja ka hulgaga , mis omakorda kajastub fenotüübis.
Dominantsuse erinevad fenotüübilised väljendused (modifikatsioonid) sõltuvad eelkõige geeni ekspressioonist molekulaarsel tasandil:

Täielik domineerimine

Mittetäielik domineerimine

Kodomineerimine
Täielik domineerimine (täielik retsessiivsus): Üks allel domineerib täielikult teise üle. Heterosügoodi fenotüüp sama, mis ühel homosügootidest. Retsessivne fenotüüp avaldub vaid homosügootidel. Mendeli monohübriidse ristamise tulem esimeses põlvkonnas avaldunud vaid üks tunnus heterosügootidel, mille määrab dom.allel .
2. Mittetäielik (osaline) domineerimine : Üks alleel ei dominweri täielikult. Heterosügoodi fenotüüp kahe eri homosügoodi vahepealne. Näiteks kanade sulgede värvus, lõvilõugade värv või hobuste karva värv. Teises põlvkonnas lahknemine fenotüübis .
Geeni ekspresioon ja keskkond: Arenemise 4 põhiprotsesse:
1. DNA replikatsioon
2. Kasv
3.Rakkude diferentseerumine
4. Rakkude organiseerumine
Nii sise-kui väliskeskkond mõjutavad geenide ekspressiooni, aga samuti geeniproduktide aktiivsust ja jaotumist igal ontogeneesi etapil.
3. Kodominantsus

Mõlemad alleelid ekspresseeritud

Heterosügoodi fenotüübis mõlema homosügoodi tunnused

Näited sirprakuline aneemia ja AB vererühm
Domineerimise molekulaarne seletus:
Täieliku dominantsuse korral norm fenotüüp moodustub kahel viisil:

Homosügoodil piisab ühe geeni produktist

Dominantse alleeli üle ekspresseeritud heterosügoodil
Mittetäielik domineerimine:
Resessiivset alleeli ei ekspresserita üldse või

homosügoodil 2 x geeniprodukti doos

Heterosügoodil: 1 x doos
Kodominantsuse korral: Mõlemad alleelid ekspresseeritakse võrdselt .
Kahte tüüpi geenidevahelisi interaktsioone:

Erinevad geenid kontrollivad sama tunnust ja üheskoos moodustavad tunnuse või uue fenotüübi

Epistaas - üks või mitu geeni suruvad maha mõne lookuse ekspressiooni ja selle kaudu tekib uus fenotüüp
Erinevad lookused kontrollivad sama tunnust ja selle tulemusena moodustub uus fenotüüp. Kahe dominantse alleeli koosmõju annab meile kolmanda uue fenotüübi.

Epistaas: Uut fenotüüpi ei teki, sest üks geen (epistaatiline) surub maha teises lookuses oleva geeni (hüpostaatiline), maskeerides sellega teise geeni olemasolu.
Retsessiivne epistaas, kus retsessiivid (aa) ühes lookuses suruvad maha teise lookuse dominandi (B.)Võib toimuda mõlemas suunas, nii A kui B peab olemas olema. Dominantne epistaas, A surub maha B.
Kahe valgeõielise suhkrupeedi ristamine: pigmendi sünteesiks vajalikud mõlemas lookuses korras dominantsed geenid. Kui üks lookus retsessiivne homosügoot, siis pigmenti ei sünteesita .
Essentsiaalsed geenid ja letaalsed geenid:
Essentsiaalsed geenid = produkti puudumise tulemus on letaalne fenotüüp.
Letaased alleelid – alleli olemasolu on letaalne ( võib olla nii dominantne kui retsessiivne)
Domintsed letaalid Aa ja AA letaalsed
Retsessiivid aa letaalsed
Võib juhtuda ka nii, et alleelil on suur deletsioon , mistõttu see seondub kõrvaloleva geeni promootoriga(Raly geen), mille tulemusena viimane inaktiveerub ja ei anna arenguks vajalikku geeni produkti (hiirte kollane värvus).
Geeni ekspressioon ja keskkond
Arenemise 4 põhiprotsessi:

DNA replikatsioon

Kasv

Rakkude diferentseerumine

Rakkude organiseerumine

• Nii sise- kui väliskeskkond mõjutavad geenide ekspressiooni, aga samuti geeniproduktide aktiivsust ja jaotumist igal ontogeneesi etapil
  

Põhiterminoloogia:

• Geeni penetrantsus kirjeldab, millise sagedusega tunnus populatsioonis vastab geenikandjate sagedusele (0-100%) ~ Sagedus (+/-)
  
• Geeni ekspressiivsus kirjeldab tunnuse varieerumist geenikandjatel ~ Tunnuse varieerumine, võib olla ka konstantne
  
• Hinnatakse populatsiooni tasandil
  

Väliskeskkonna toime näited:

• Organismi vanus, millal tunnus avalduma hakkab (meeste kiilaspäisus ja selle vormid)
  
• BB mõlemast soost KP, Bb ainult mehed, bb mõlemad juustega
  
• Sugu (jälle kiilaspäisus)
  
• Temperatuur (mõjutab ensüümide aktiivsust ja sellega näiteks värvust Siiami kassidel või soo määramine reptiilidel
  
• Kemikaalid või viirused , mis mimikeerivad haruldaste ja harvaesinevate mutatsioonidega isendite fenotüüpe (fenokoopia)
  
• Näit: Leetrid esimesel 12 rasedusnädala põhjustavad fetaalset katarakti, kurtust, südame arenguhäireid. Thalidomide ( 1959 -1961), ravim rasedustoksikoosi korral pärssis luude ja liigeste arengut lootel .
  

Kiilaspäisus: Autosoomne, Dominantne meestel, Retsessiivne naistel, Mõjutab testosterooni tase. Soo poolt mõjutatud tunnused (sex- influenced trait) – autosoomselt määratud tunnus, mida määrav alleel on ühel sugupoolel dominantne, teisel aga retsessiivne. Nähtus seotud ainult heterosügootsusega tunnust määravas lookuses (näide kiilaspäisus).
Sooga piiratud tunnus(sex-limited trait) – autosoomne tunnus, mis Esineb ainult ühel sugupoolel (oluliselt mõjutatud hormoonide tasemest). Näiteks habeme kasv meestel, rinnad naistel, sulestiku värv isastel lindudel jne.
Kumbagi tunnuse määratlust ei tohi segi ajada suguliiteliste tunnustega, millede korral tunnust määravad alleelid on sugukromosoomides.
Geenide aheldatus , Geenide kaardistamine eukarüootidel:
Mitte-homoloogsetel geenidel paiknevad geenid jaotuvad üksteisest sõltumata. Samal kromosoomil asuvad geenid on aga seotud omavahel (füüsiliselt) ja lähevad edasi üheskoos (aheldatuse grupp).
Klassikaline geneetika: Analüüsib alleelide kombinatsioone ristamiskatsetega. Vanemgeenide uued kombinatsioonid järglastel tulenevad nende rekombineerumisest meioosi esimeses profaasis (ristsiire ehk crossing over). Selleks, et leida, millised geenid on aheldunud kasutatakse tagasiristamisi ja rekombineerumiste arvuga luuakse aheldatuse ehk iga kromosoomi kohta geneetilisi kaarte.

• Morgani katsed kärbestega:
  Mittevanemlikud genotüübid on rekombinandid
  
• Sõltumatu jaotumise korral on eeldatavalt rekombinante 50%
  
• Morgani katsetes oli see 900/2,441 (36.9%) rekombinantseid fenotüüpe, millest ta järeldas, et need lookused peavad olema aheldunud
  

Morgani seaduspärasused (tema poolt veel hüpoteesid)

Vanemfenotüübid on alati sagedasemad kui rekombinantsed

Geenid asuvad kromosoomis alati lineaarselt ja homoloogides on samu tunnuseid määravad alleelid samas kohas ehk lookuses

Meioosi käigus osa geene läheb gameetidesse üheskoos, kuna nad on samas kromosoomis ja üksteisele suhteliselt lähedal

Mida lähemal geenid kromosoomis asuvad, seda vähem on nende geenide osas rekombinante

Rekombinandid moodustuvad ristsiirde tulemusena
Ristsiire annab meile mittevanemlikke rekombinantseid genotüüpe ja fenotüüpe kui geenid on aheldunud.
Ristsiire:

Toimub meioosi I profaasis

Kiasmid on kohad kus ristsiire toimub

Ristsiire on vastastikune DNA osade vahetus kromatiidide vahel, mis koosneb kromatiidide katkemisest ja uuest ühinemisest

Annab meile uusi geenide kombinatsioone ning tagab ühe osa geneetilisest varieerumisest
Ristsiirde mehhanismid: Millal ja kuidas see toimub?
Võimalused:

• Meioosi esimese profaasis kohe kui kromosoomid on duplitseerunud: 4 kromatiidi moodustavad tetraadi
  
• Interfaasis enne meioosi, kui 2 kromatiidi seisundis enne kromosoomide duplitseerumist
  

Katsed järjestunud tetraadidega Neurospora crassa’l. Askospooride järjestus askuses näitab ka ristsiirde toimumist. Need katsed näitavad, et ristsiire toimub 4 kromatiidi staadiumis meioosi I profaasis.
Ristsiirde molekulaarne mehhanism ( Robin Holliday, 1960s ):
Homoloogsed kromosoomid konjugeeruvad. DNA üksikahel laguneb ja seostub teise kromosoomi ahelaga (igas kromosoomis on alati vaid üks DNA molekul ) moodustades nn. Holliday kompleksi. Kromosoomide terminaalsed osad tõmmatakse eemale ja moodustub ristikujuline struktuur. See töödeldakse endonukleaasi poolt, mis muudab risti uuest lineaarseks. DNA täidab lõhed. Füüsiline lookuste vahetus kromosoomi otstes peaks toimuma 50% sagedusega, ühes tasapinnas jäävad vanemkromatiidid, teises tasapinnas rekombinantsed.
Geneetiline kromosoomide kaart: Geneetiliste rekombinatsioonid sagedus (%) näitab aheldatuse ulatust. Geneetilised kaardid koostatakse lähtuvalt rekombineerumise eksperimentidest .
Ristsiire toimb seda sagedamini, mida kaugemal lookused üksteisest paiknevad. Oodatav rekombinantsete ja vanemgenotüüpide suhe kui aheldatus puudub on 1:1. Rekombinantide sagedus (%) määrab vahetult geneetilise kauguse (mu). Kaugus on seda täpsem, mida lähemal lookused üksteisele asuvad. Mida rohkem järglaskonda (arvukus) seda täpsem tulemus. Otsene vastavus geenide lineaarse paigutusega kromosoomis.
Erinevalt aheldunud lookuste kaardistamine testristamistega:

• 3-lookuse suhtes (Aa/Bb/Cc x aa/bb/cc) võimaldab vaadelda mitut tunnust üheaegselt.
  
• Rekombinantide sagedust (nn. Aheldatuse vahekord) kasutatakse järglaste fenotüüpide ennustamiseks (tõu ja sordiaretajate huvi)
  
• Testristamisel ei tohi rekombinantide sagedus ületada 50%.
  
• Sel juhul ei ole tegemist aheldatusega, mis tähendab, et
  
• Kas geenid on erinevates kromosoomides või üksteisest liiga kaugel
  
• Vajalik leida veel vahepealne lookus
  
• Rekombinantide sagedus võib alahinnata tegelikku kaugust, seepärast vajalik korrigeerimine. See tuleneb nn. Interfentsist ehk sellest, et kui üks RS on toimunud, siis see takistab teise RS teket
  
• I = 1 – C, kus C on tegeliku ja oodatava suhe
  

Tetraad analüüs haploidsete garnituuride korral eukarüoodil.
Tetraad tähendab meioosi tulemusena moodustunud nelja gameeti. Tetraad võib olla kindla järjestusega (Neurospora) või mittejärjestatud (pärmid). Haploidsetel organismidel fenotüüp vastab alati genotüübile (retsessiivsus ja dominantsus puudub)). Haploidsus kergendab oluliselt geneetilise geenikaardi koostamist. Kolm enamkasutatud organismi: (kõigil neil nii suguline kui mittesugu´line paljunemine): Pärmid (Saccharomyces cerevisiae); Rohevetikas (Chlamydomonas reinhardtii); Leivahallitus (Neurospora crassa).
Geeni konversioon: Väga lähedaste geenide korral võib toimuda mitte vastastikune vahetus. Seda nimetataksegi geeni konversiooniks. Esineb kui tetraadsete gameetide genotüübid on 3:1 või 1:3 aga mitte 4:4, 2:4:2, or 2:2:2:2. Selle põhjuseks on vale paardumine rekombineerumise käigus. Mis hiljem repareeritakse (eksonukleaasne eksisioon ja siilimine DNA polümeraasiga).
Mitootiline rekombineerumine: Väga harva aga vahel siiski on CO ka mitoosis ehk som. Rakus. Esmalt kirjeldas Curt Stern (1936) heterosügootsel Drosophila’l kellel oli suguliitelised mutatsioonid kollase kehavärvuse määramiseks (y+/y) ja keerdunud karvadele (sn/sn+). Kuna oli toimunud mitootiline ristsiire saime ühel isendil kaks fenotüüpi (mosaiik). Seletada saab häirega kromosoomide lahknemises, kuid kuna mosaiiksed piirkonnad on alati kõrvuti, siis on see seletatav geenivahetusega mitoosis lõigustumisel .
Prokarüootide ja viiruste geneetika
Nende genoom on haploidne. Kõik geenid, mis seal on, avalduvad vastavalt tingimustele otsekohe. Kui tekib mingi mutatsioon , siis seal pole kompenseerivat geeni ning see avaldub otsekohe. Keskkonnamuutuste kohapealt on nad väga paindlikud, sest iga geeni avaldumine nõuab energiat ning seetõttu toimuvad protsessid ja ümberlülitused väga kiiresti. Vajalik populatsiooni säilumiseks, toimub positiivne valik.
Jagunemine on lihtne genoomi jagunemine ehk pooldumine . Mitoosi ei toimu, kuid samal ajal jaotub genoom suhteliselt võrdselt kuna DNA kahekordistumine toimub nagunii . Põhiprotsessid sarnanevad eukarüoodsete rakkude põhiprotsessidele (valgu süntees, geeniregulatsioon, ekspressioon jne). Erinevused tulenevad sellest kuidas geenid on genoomis organiseeritud. Geene reguleeritakse ühe koha pealt (operon) ja selle regulatsioon sõltub konkreetsest keskkonnast.
Viirus erineb tavalisest bioloogilisest organismist selle poolest, et ta ei paljune autonoomselt. Kõikidel viirustel on põhimõtteliselt ühesugune ehitus, erinevus tuleb kestast ja konkreetsest geneetilisest aparaadist. Kestal on kindlasti retseptorid , mis on vajalikud mingi raku infitseerimiseks. Geneetiline aparaat võib olla ka DNAl või RNAl põhinev, sellest sõltuvalt on tegemist erinevate viiruse paljunemistega. Viirust võib ka kristaliseerida. Viirus paljuneb ainult raku sees. Osad viirused infitseerivad eukarüootset rakku, on olemas ka bakteriviiruseid (bakterifaagid). Nii viirusted kui mikroobid on olnud olulised geneetilistes uurimustöödes. Paljud üldprotsessid on kindlaks tehtud mikroobide peal. See tuleneb sellest, et meil on mikroobe kergelt ja kiirelt võimalik paljundada, on kerge mutante eraldada jne.
Bakteri geneetika ja bakteriofaagid
Kromosoom rõngjas, suurus kuni 10 miljonit aluspaari . E.coli täielikult sekveneeritud ja suurus 4,6 x 106 aluspaari. Mida parasiitsem organism, seda väiksem genoom. Enam vähem kõikidel loodusest isoleeritud bakteritel on plasmiidid ehk autonoomsed ekstrakoromosomaalsed DNA elemendid.
Bakterikromosoom on küll pakitud, aga neil ei ole tuuma vaid ta on nulkeoidina. Bakteriraku genotüüp on haploidne, mis annab rakule suure plastilisuse (iga mutatsioon avaldub kohe fenotüübis).
Neil on kromosoom rõngjas, on folditud. Reeglina ~10 miljonit aluspaari, mida parasiitsem organism on, seda väiksem on tema genoom.
Neil on ekstrakromosomaalne (lisakromosoom) kromosoom, mida nimetatakse plasmiidiks ja milles on geenid, mis toimetavad ainult konkreetsetes tingimustes. Need plasmiidid on need, mida on võimalik üle kanda ja mida on kerge ka kunstlikult muuta ja nende alusel toimub kogu kaasaegne biotehnoloogia, sest nendega transporditakse erinevaid geene ühest organismist teise.
Bakteri geneetika ja bakteriofaagid
Bakterid on lihtne paljunemine ja pärilik materjal läheb järgmisele põlvkonnale lihtsa paljunemise teel. Muutus pärilikkus materjalis on mutatsiooni tulemus, mis avaldub kohe tänu haploidsele garnituurile. Teatud juhtudel, toimub aga ka geneetilise materjali vahetus bakterite vahel.
Ülekanne on alati ühesuunaline ning ei ole kunagi täielikku diploidset staadiumi

Konjugatsioon

Transformatsioon

Transduktsioon
Neil on suhteliselt lihtne paljunemine. Iga muutus pärilikus materjalis avaldub kohe tunnusena. Kuigi nad paljunevad kiiresti pooldumise teel, siis teatud juhtudel toimub bakterirakkude vahel geneetilise materjali vahetus ehk päriliku materjali edastamine teisele bakterile.
Plasmiidid

Autonoomselt replitseeruvad ekstrakromosomaalsed elemendid (1 – 200 kb)

Võivad integreeruda kromosoomi, siis nimetatakse episoomiks.

Kannavad unikaalset geneetilist informatsiooni, mis võimaldab paremini kohaneda keskkonna tingimustega.

Loodusest isoleeritud plasmiidid võivad sisaldada mitut erinevat plasmiidi

Valiku surve puudumisel labori tingimustes plasmiidid kaovad, loodusesse tagasi viimisel on nad vähem elujõulised.

Neil on põhireplikon, milles replikatsiooni alguspunkt ja initsiatsiooni saidid, suurematel plasmiididel ka tra geenid, mis on vajalikud plasmiidi ülekandeks konjugatsioonil.
Kromosoomiväline DNA, mis on rõngjas, autonoomne, paljunemisvõimeline, replitseeruvad autonoomselt, võivad intergreeruda bakteri genoomi (episoom, teatud juhtudel). Igal plasmiid paljuneb sõltumata sellest kas põhikromosoom paljuneb või mitte.
Ühes rakus võib olla mitu, isegi sada plasmiidi, kuid nende esinemine või mitteesinemine sõltub konkreetsetest valikusurvetest. Looduslikes bakteritüvedes on alati palju plasmiide, kunslikes tingimustes hakkavad nad aeg-ajalt ära kaduma. Erinevate plasmiidide eksisteerimine sõltub sellest kas nad omavahel sobivad.
Plasmiidid on need, kes kõige esmalt kantakse ühest rakust teise ja nii vahetatakse pärilikku materjali. See on vajalik selleks, et prokarüoodide populatsioon peaks vastu valikulisele survele.
Plasmiidide funktsioonid

R-plasmiidid ehk resistentsust määravad plasmiidid

Virulntsusfaktoreid kodeerivad plasmiidid (virusvastased toksiinid)

Bakteriotsiide kodeerivad plasmiidid (muudavad teise bakteri kesta läbilaskvaks.
4. Antibiootikume produtseeerivad plasmiidid
5. Degradatiivsed plasmiidid (lagundavad süsinikuallikaks näit. Fenoole)
6. Ti plasmiidid (indutseerivad taimedel kasvajaid)
Funktsioonid võivad olla väga erinevad. Plasmiidides on ekstrafunktsioonid (vähem elutähtsad). Võivad olla erinevad funktsioonid, see vajalik populatsiooni säilitamiseks. Antibiootikumide funktsiooniks on hoida prokarüootide populatsioonid tasakaalus. Virulentsusfaktorid toodavad vaksiine näiteks bakterofaagide vastu. 3. selle toimel teised bakteritüübid muutuvad nendetaolisteks, kest hakkab läbi laskma .
Plasmiidide klassifitseerimine

Sobivus – samas sobivusklassis olevad plasmiidid ei saa eksisteerida samas rakus.

Kitsa-pereemeeste ringiga plasmiidid ja laia- peremeeste -ringiga.

Konjugatiivsed plasmiidid – kanduvad ühest rakust teise.
Fenotüüp

• Bakterite kasvu testimine erinevatel söötmetel võimaldab kirjeldada nende fenotüüpi.
  
• Bakterigeneetikas kasutatakse analüüsimiseks erinevaid mutante selektiivsetel söötmetel: Antibiootikumide resistentsed mutandid; Auksotroofsed mutandid – ei kasva minimaalsel söötme (prototroofid); Süsinikuallika mutandid; Faagiresistentsuse mutandid; Fenotüüp ka kolooniate kuju ja värvi järgi; Temperatuuritundlikkuse mutandid.
  

Oluline see, et me saame väga kergesti hinnata selle konkreetse tüve fenotüüpi ja saama seda selekteerida sõltuvalt sellest kuidas me teeme mingisuguse mutandi. Mikroobide kasvuks on vaja teatavat söötmet. Osad mutandid sõltuvad mingist vitamiinist või enüümist, mida nad ise ei sünteesi ja mida on vaja söötmesse sisse panna. Need ongi mikroobide fenotüübid.
Fenotüübi tähis kolmetäheline, millest esimene on suur täht. Lisatakse + või -, vastavalt sellele kas tunnus olemas või puudub. Näit.: Lac- tähendab, et rakk ei saa kasutada süsinikuallikana laktoosi.
Geen märgitakse samuti kolme tähega, aga kõik tähed on väikesed. Näit.: auksotroofne mutant mis pole võimeline sünteesima leutsiini oleks fenotüübilt Leu- ja genotüübilt leu-. Tähistus r või s märgib vastavalt resistentsust või siis tundlikkust näit. Antibiootikumidele .
Konjugatsioon
Ühesuunaline gen. materjali ülekanne doonorilt retsipiendile otsese kontakti kaudu. Väga harva doonori kromosoomi segment rekombineerub retsipiendi kromosoomi homoloogse segmendiga. Retsipiendid, kellel on doonori DNA-d, nimetatakse transkonjugaatideks. Bakterite rekombineerimiseks on vajalik nende omavaheline füüsiline kontakt.
Toimub ühesuunaline geneetilise materjali ülekandumine ühest rakust teise. See, mis kannab üle, on doonorrakk. Selline ülekanne pole reeglina täielik. Saame rekombinantse bakteri, mille sees on doonorraku geenid.
Fertiilsusfaktori (F) ülekanne konjugatsioonil:
Geenide vahetus on ühesuunaline E. coli . Seda vahendab fertiilsus ehk sex faktor F. Donor on F+ ja retsipient F-.
F on isepaljunev mini kromosoom, tsirkulaarne DNA plasmiid (suurus umbes 1/40 põhikromosoomist. F plasmiidil on algus järjestus (O), mis initseerib DNA ülekande.Sisaldab samuti geeni, mis võimaldab raku pinnalk moodustada konjugatsiooni toru (F-pili või sex-pili). Sama tüüpi bakterite vahel konjugatsiooni ei toimu. Konjugatsioon algab F plasmiidi katkemisena O järjestuses ja üks ahel kandub üle. Kui ülekanne on lõppenud, siis mõlemas rakus on F+ kaheahelaline plasmiid.
Geenivahetus toimub erinevate bakteritüvede vahel. Mitte kõik mikroobid ei ole võimelised omavahel geene vahetada. Selleks, et toimuks geenivahetus kahe mikroobi vahel, peab üks neist omama fertiilsusfaktorit. Tinglikult on tegemist kahe soopoolega, konjugeerida saavad ainult need omavahel, kellest ühel on fertiilsusfaktor olemas, ühel mitte. Aeg-ajalt võib fertiilsusfaktoriga plasmiid interakteeruma põhirkomosoomi ja siis võib kromosoom ka aeg-ajalt konjugeeruda. Siis läheb kõigepealt üle fertiilsusfaktor ja plasmiid, kõige hiljem see põhikromosoom.
Fertiilsusfaktorit tähistatakse F+ ga, moodustades tuubuli ja hakkab plasmiidi üle kandma. Saame kaks mikroobi, milles mõlemas on F-faktor sees. Kui plasmiidil on sees muu geen, siis saab teine mikroob ka selle geeni ning tolle funktsiooni.
HFR (high-frequency recombinant) tüved:
Kromosomaalset DNA-d reeglina üle ei kanta F faktori poolt. See toimub juhul kui F faktor on integreerunud kromosoomi. Toimub CO kaudu ja sellist tüve nimetatakse Hfr rekombinantseks tüveks. Hfr tüvi paljundab F faktorit koos kromosoomiga. Hfr tüve konjugatsioon algab samas F+ saidis O ja seejärel läheb teise rakku ka põhikromosoom. Kogu kromosoom kantakse aga üle väga harva, sest enne konjugatsioon katkeb enne kui DNA süntees lõpeb. Rekombinandid tekivad retsipiendi kromosoomi ja F+sisaldava kromosoomi CO teel.
Nüüd tekivad teatud tüved, mida nimetatakse HFR tüvedeks. F.faktoriga plasmiid on siis intergreerunud kromosoomide sisse. See on episoom, mis võib bakteri kromosoomist välja tulla ja seda koos teatud põhikromosoomi geenidega . Kui F-faktor on kromosoomi intergreetunud, toimub seal rekombineerumine (nagu ristsiire) ja nüüd tüvi paljuneb koos selle kromosoomiga. Raku paljunemisel on neil f-faktor juba sees. Nad on võimelised konjugeeruma ja andma F-faktorit üle. Sellega kaardistatakse mikroobi geene.
Plasmiidi ülekandel kantakse üle alati F-faktor, edasi kogu plasmiid. Kui on episoom, hakatakse esimesena üle kandma kromosoomi kui sellist ning F-faktor läheb üle viimasena. Episomaalsed tüved on väga kõrge võimega üle kandmaks geneetilist informatsiooni. Kui F-faktor läheb episoomist tagasi plasmiidi, siis plasmiid muutub kuna on põhikromosoomist juurde tulnud mingeid geene. Tähistatakse primmiga. Protsessi nim sex-funktsiooniks. See on bakterile antud uue funktsiooniga plasmiid.
Konjugatsiooni kasutatakse bakteri kromosoomi kaardistamiseks ehk kasutatakse selleks siis katkestatud konjugatsiooni F+ x F-. Geenide järjestus määratakse aja järgi, mil kromosoom jõudis retsipienti. Mida kaugem geen, seda rohkem võtab aega. Rekombinantide sagedus langeb mida hiljem geen retsipienti jõuab .
Kasutatakse kaardistamiseks, mis toimub nagu geneetilise kaardistamise puhulgi.
Transformatsioon
Ühesuunaline võõra DNA sissevõtmine raku poolt ja integreerimine genoomi, mis muudab fenotüüpi. DNA doonorit eraldatakse, tehakse fragmendid ja seejärel segatakse retsipeientide kultuuri. Doonoritel ja retsipientidel oli enne erinev fenotüüp ja genotüüp. Kui toimub rekombineerumine, siis retsipiendil ka uus fenotüüp.
Bakteritel on erinev võime võtta sisse võõrast DNA-d. See on ka looduslik protsess näit. Bacillus subtilis. Neid on võimalik ka konstrueerida . On võimalik muuta rakke kompetentseteks ka keemiliste ainetega mõjutada .
Ühesuunaline protsess. Mitte kõik prokarüoodid ei ole võimelised transformeeruma (võtma sisse mingit DNA juppi), neil peavad olema pinnal teatud retseptorid, mis saavad vastu võtta DNA juppe (need tulevad bakteritest, mis ära surevad jne). Kirjeldus oli oluliselt varem kui saadi üldse aru mis tf on.
Viirused ja transduktsioon:

• DNA viirused
  
• RNA viirused
  
• Retroviirused
  

Kolmas võimalus mikroobide vahel geeni ülekandeks on geeni vahendamine viiruste kaudu. Üks viirus integreerub bakteriraku genoomi, kui ta sealt eraldub, võtab kaasa bakteriraku geene ja liigub teise bakterirakku.
On kolme tüüpi viiruseid . DNA puhul geneetiline materjal DNA-s. RNA puhul pole rakugenoom seotud. Retroviiruseid rakku infitseerides moodustub komplementaarne DNA, mis läheb genoomi ja see hakkab seal omaette tegutsema (HIV). Viirused ise rekombineeruvad rakus.
Transduktsioon:
Bacteriofaagid kannavad aeg ajalt bakteri geene üle (bakteri viirused, T2, T4, T5, T6, T7, and l). Üldine transduktsioon – kannavad üle kõiki geene. Spetsiifiline transduktsioon - kindlaid geene. Faagides on tavaliselt vaid väga väike peremeesraku DNA, ~1% genoomist. Viiruse DNA rekombineerub peremeesraku homoloogse kromosoomiga.
Võib minna ükstaskõik mis kohapeale genoomi ja sealt lahkudes võib võtta suvalise geeni kaasa.
Spetsiifilise puhul läheb alati kindlasse kohta ja saab kaasa võtta ainult kindla kromosoomi.
Viiruse geneetiline info RNAs:
Peab rakupinnale kinnitama ja kui see on tehtud, siis viirusekest vabaneb ja kestast tuleb välja RNA. 2.punktis sünteesitakse viiruse poolt määratud geenide poolt uus RNA molekul , selle järgi sünteesitakse ka mRNA ja pannakse viirus uusti kokku. See siis vabaneb rakust. Sellel ajal eukarüootne rakk teeb ainult seda protsessi. Lõpptulemuseks on see, et viiruseid on juba väga palju ja rakk sureb ära. Viirused saavad infitseerida uusi rakke, aga organism reageerib selle puhul põletikuga. Meil pole peaaegu ühtegi haigust, millega ei kaasneks põletik. Kui me põletiku maha surume, vähendame organismi kaitsevõimet aga põletik ei tohi ka suureneda , siis on sitasti.
Retroviirused on need viirused, mille pärilik materjal on RNAs aga paljunevad üle eukarüootse raku DNA alusel. Retroviirused kannavad pöörtranskriptaasi, see on ensüüm ja on kogu biotehnoloogia aluseks. Enne selle avastamist ei olnud võimalik midagi teha.
HIVi tsükkel: Kõigepealt tuleb sisse viiruse RNA, selle järgi moodustatakse DNA molekul, mis omakorda duplitseerub ja saame kaheahelalise molekuli. See läheb raku tuuma ja integreerub kromosoomi sisse. Viiruse DNA jääb sinna kinni, selle alusel hakatakse sünteesima uut RNAd , see väljub ja selle alusel hakatakse tegema uut viiruse molekuli. Põhiline ravi toimub kolmeensüümse süsteemi peal. Hakatakse saama antiretroviiruse ravi, mis koosneb kolmest komponendist . See takistab viiruse paljunemist, lahti sellest küll ei saa. Viiruse koormus orgganismis on siis ka vähenenud. Kõigepealt mõjutatakse 1. punkti, siis DNA molekuli integreerumist ja kolmandaks valgu molekuli moodustumist. Viiruse valk moodustub teistmoodi. Kõik valgud moodustatakse ühe ahelana ja töödeldakse hiljem ära, seda töötlemist blokeeritaksegi.
Faag l elutsükkel: Lüütiline ja lüsogeenne tsükkel
Võib olla kahes faasis – lüütiline ja lüsogeenne. Viiruse genoom võib olla integreeritud raku sees nii, et viirus ei tooda pikka aega seal mitte midagi. Teatud hetkedel ta avaldub (huuleherpes). Siis muutub lüsogeenne seisund lüütiliseks. Rakud hävinevad, tekib põletikuline protsess.
Päris paljud viirused on organismis juba genoomi integreeritud (ntx papilloomviirus ).
See tähendabki seda, et viiruste abil kantakse üle peremeesraku geene. Ühelt poolt transformeeruvad viirused, teiselt poolt lähevad geenid üle.
Transduktsiooni abil kaardistamine sarnane transformatsiooniga kaardistamisele:

• Geenide järjestus määratakse rekombinantide sagedusega
  
  • Kui sagedus kõrge, siis geenid üksteisest kauge
    
  • Kui madal, siis lähedal
    

Mida kõrgem on rekombinantide sagedus, seda kaugemal peremeesraku geenid üksteisest on.
Geenide kaardistamine bakterifaagide abil:
Infitseeritakse baktereid eri faagide tüvedega Þ crossover. Loetakse rekombinantsed faagide fenotüübid määrates bakterivabad alad kultuuris. Eri faagi tüved kutsuvad esile erinevad bakterivabad alad.
Seymour Benzer’i cis-trans komplementatsiooni test:

Kas mutatsioonid on samas või erinevates geenides (saab märata funktsionaalseid geene)

Kui mutatsioonid eri geenides, siis rekombibneerumise tulemusena tekkiv metsik fenotüüp tekib komplementatsiooni tulemusena

Kui mutatsioonid samas geenis, siis ei saa komplementatsiooni olla
Komplimentatsioonikatsetes saame vaadelda erinevate geenide ülekandeid.
Tuumaväline ehk tsütoplasmaatiline pärilikkus : Mitokondrid ;
Kloroplastid; MtDNA defektid inimesel.
Tuumavälised genoomid: Mitokondrid (loomarakk, taimerakk ); Kloroplastid (taimed).

Tsütoplasmas (tsütoplasmaatiline pärilikkus).

Oma genoom (mtDNA/cpDNA) geenid)

Pärilikkus ei ole mendeleeruv,sest enamik antakse edasi ema liini pidi.
Mitokondrid ja kloroplastid põlvnevad endosümbiontsetest prokarüootidest, mis invadeerusid ürgsetesse eukarüootsetesse rakkudesse ja elasid vastastikku kasulikus sümbioosis.
Mitokondrid – põlvnevad fotosünteetilistest nn. purpur bakteritest ja sisenesid eukarüootidesse rohkem kui miljard aastat tagasi. Enamus mitokondrite valkudest(ensüümidest) kodeeritakse tuuma genoomis olevate geenide poolt. Tuumas olevad mt geenid on sinna tegelikult transponeerunud. Kloroplastid põlvnevad fotosünteesivatest tsüanobakteritest.
Tsütoplasmaatiliselt ülekantavate geenide poolt määratud fenotüübilised tunnused varieeruvad väga suures ulatuses, sest nende geenide hulk on tänu mittevõrdelisele organoidide jaotumisele erinev.
Mitokondri genoomi organiseeritus:
mtDNA on kõikides aeroobsetes eukarüootsetes rakkudes, kus mitokondrid vastutavad energiavahetuses oksüdatiivse fosforüleerimise eest (hingamine ja ATP tootmine). mtDNA genoom on rõngasjas ja sageli superspirliseerunud (mõnedel seentel ja ainuraksetel siiski ka lineaarne). On GC rikas, seepärast tuuma DNAst kerge eraldada tsentrifuugimisel. mtDNAs puuduvad histoonide sarnased valgud. Kuna mitokondreid on rakus palju, siis nende koopiate arv eraldamisel suur ja neid on kerge amplifitseerida PCRiga. mtDNA suurus on väga varieeruv .
mtDNA genoomi replikatsioon:
Sarnane tuuma DNA replikatsiooniga (poolkonservatiivne) kuid tal on oma spetsiifiline DNA polümeraas. Toimub kogu aeg, mitte ainult S faasis, nagu tuuma DNA. Mittekodeeriv kontrollpiirkond moodustab lingu, mis funktsioneerib kui replikatsiooni piirkond. Mitokondriad kui organellid paljunevad, mitte ei moodustu de novo.
mtDNA genoom:
mtDNA geenid on tRNA, rRNA ja tsütokroom oksüdaasid, NADH-dehüdrogenaas, & ATPaasid .
Mitokondriaalne geneetiline info ka tuumas: DNA polümeraas, replikatsiooni faktorid ; RNA polümeraasid, transkriptsiooni faktorid; Ribosomaalsed valgud, translatsiooni faktorid, ah-tRNA süntetaasid; Samuti mõned tsütokroomid, NADH, ATPaasid.
mtDNA geenid transkribeeritaks mõlemalt ahelalt.
Mitokondriaalse DNA transkriptsioon :
mRNA sünteesitakse ja ka transleeritakse mitokondris . Geeni produktid, mis moodustuvad tuumageenide poolt, moodustuvad tsütoplasmas ja transporditakse sealt mitokondritesse. Imetajatel ja selgroogsetel loomadel mtDNA transkribeeritakse ühe molekulina (polütsistroonne RNA) ja seejärel moodustatakse alles sellest mRNA, rRNA ja kõik tRNAd.
tRNA geenid vahelduvad teiste geenidega ja töötavad kui transkriptsiooni signaali terminaatorid.
Taimedel ja seentel on mtDNA märksa suurem: tRNA ei eralda geene; Mittekodeerivad järjestused geenide vahel; Transkriptsiooni ei termineeri tRNA geenid; Esinevad intronid , mida imetajatel ei ole mtDNAs; Transkriptsioon monotsistroonne (sama mis geen).
mtDNA genoomi translatsioon :
Mitokondriaalsel mRNA’l ei ole 5’ otsa. Translatsiooni kasutatakse spetsiifilisi faktoreid:initsiatsiooni faktor (IF), elongatsooni faktor (EF) ja vabastamise faktor (RF). AUG on start koodon . Taimedel universaalne kood, teistel üksteisest veidi erinev ja sarnaneb prokarüootidele.
mtDNA praktiline kasutamine:
Kerge isoleerida ja amplifitseerida. Saab jälgida emaliini populatsioonis, sest enamus tuleb emalt. On “haploidne” ja kergesti muutuv, peaaegu 10-100x kiirem muteerumine. Muutused fikseeritakse kiiresti ja seepärast polümorfism kõrge. Tänu kiirele muteerumisele saab jälgida suhteliselt lühiaegseid evolutsioonilisi liine.
Kasutatakse: Emaliini analüüsiks; Fülogeneetilises süstemaatikas; Populatsiooni ja looduskaitselises geneetikas ning kohtumeditsiinis emaduse tuvastamine .
Kloroplastide genoom (cpDNA):
Funktsioon fotosüntees ja esineb vaid rohelistel taimedel ja fotosünteesivatel ainuraksetel. Analoogselt mtDNA on kloroplastide genoom: Tsirkulaarne, kahe- ahelaline ; Struktuursete valkude puudumine (nagu kromosoomis); GC sisaldus erienv tuumast; Kloroplasti genoom on oluliselt suurem kui mtDNA, ~80-600 kb. Esineb paljudes kordustes ja sisaldab mittekodeerivat DNA-d. Täielik genoom on sekveneeritud paljudel taimedel (tubakas 155,844 bp; riis 134,525 bp).
cpDNA organiseeritus:
Tuuma genoom kodeerib osa kloroplastide komponente. Geenid transkribeeritakse mõlemalt ahelalt (nagu ka mtDNA).
cpDNA translatsioon sarnane prokarüoodile: Initsiatsioon Met-tRNA; Kloroplasti spetsiifilised IF, EF ja RF. Geneetiline kood universaalne.
mtDNA ja cpDNA pärilikkuse erinevused Mendeli seaduspärasustest:
Tüüpilisi mendeli suhteid ei ole, sest ei toimu lahknemist meioosis. Ristamised näitavad vaid ühe vanema poolt saadud tunnuseid, sest tsütoplasma tuleb emalt. Isapoolset lekkimist esineb väga harva, sest on olemas ka mehhanism, mis degradeerib isapoolse mtDNA/cpDNA kui see esineb.
Juhud kui tsütoplasmaatiline pärilikkus on segatud : Heteroplasmia – isa mitokondreid 1/10000 ema M kohta. Põhjus viljastumise momendil spermatosoidi mitokondri sattumine munarakku. Sel juhul ema ja isa mtDNA rekombineeruvad. Isapoolne segunemine küllalt tavaline paljasseemnetaimede kloroplastide korral.
Pärilikkuse molekulaarne alus
Pärilikkuse aine peab olema: Stabiilne informatsiooni hoidja; Võimeline paljunema, tagama info säilimise ja ülekandmise; Võimeline muutuma .
Kui tingimused ei ole täidetud, ei ole täidetud ka bioloogia põhialused. Järske muutusi olla ei tohi, need viivad letaalsuseni. Teatud juhtudel võib ka rna olla pärilikkusaine, algselt ta oligi pärilikkusaine. DNA on hilisema tekkega kuna rna oli väga ebastabiilne.
Nucleotiid = monomeerid , millest on ehitatud DNA ja RNA. Koosnevad kolmest komponendist.
1. Pentoos (5-süsinikuga) suhkur. DNA = deoksüriboos, RNA = riboos .
2.Lämmastikalused:
Puriinid , Adeniin (A), Guaniin(G)
Pürimidiin: Tsütosiin (C), Tümiin (T,)Uratsiil (U; RNA
3. Fosfaat rühm seob 5’ süsiniku.
Nukleotiidid on omavahel ühendatud fosfodiester sidemega. See on kovalentne side ühe nukleotiidi fosfaatrühma(5’ C) ja teise nukleotiidi suhkru vahel (3’ C). See on tugev side ja seepärast on nukleotiidide ahel väga stabiilne. Näevad välja suhteliselt ühesugused. Kui nad omavahel ühinevad läbi fosfodiestersideme, on nad keemiliselt erinevate otstega seotud.
DNA mudel: kuus põhiomadust

Kaks polünukletiidset ahelat on keerdunud omavahel kellaosuti suunas (parempoolselt)

Ahelad on antiparalleelsed: 5’ ® 3’, 3’ ¬ 5’

Suhkur-fosfaat telg on väljaspool ja lämmastikalused seespool

Komplementaarsed alused on oma vahel ühendatud vesiniksidemetega (nõrgad). A paardub T (2 H-sidet), G paardub C (3 H-sidet). e.g.,

Alused on üksteisest 0.34 nm kaugusel. Üks pööre on 10 alust (3,4 nm).

Suhkur-fosfaat telg ei ole võrdeliselt paigutunud, seepärast on molekulis väikeseid ja suuremaid kõrvalekaldeid .
Ahelad on antiparalleelsed. Spetsiifiline paardumine ahelas tuleneb nende keemilisest ehitusest. Meil on põhimõtteliselt võimalik neid ahelaid eraldada ka niimodi, et a-t juppe saab kergemini eraldada kui teisi. Kuna vesinikside on võrdlemisi nõrk, saab kergelt neid teha üheahelaliseks. Seetõttu on ka DNA ahela konstrueerimine väga lihtne.
Franklin tegi röntgenstruktuurpildid. Watson oli inimese genoomi järjestamise planeeringu juht.
RNA (A paardub U ja C paardub G)
mRNA messenger RNA
tRNA transport RNA
rRNA ribosomaalneRNA
snRNA väike tuuma RNA
siRNA intrferents RNA
RNA sekundaarne struktuur: Üheahelaline; Võtab osa transkriptsioonist ja translatsioonist; Reguleerib geeni ekspressiooni.
On geeni ekspressioonis väga tähtis molekul. Neid on väga erinevaid. DNA ja RNA erinevused on väga märkimisväärsed. RNA on alati üheahelaline, tänu oma keemilisele ehitusele on tal väga erinev struktuur. 2 nukeiinhappe kohta kokku 5 lämmastikalust. RNA võib teatud juhtudel olla ensümaatiliselt aktiivne. RNA molekul modifitseerib nii enda kui teisi RNA molekule, tal on ribosüümne aktiivsus. DNA on seevastu stabiilne.
Arvatakse, et algselt oli elu RNA põhine. Hulkraksus ei saa enam tekkida RNA-põhiselt kuna too pole piisavalt stabiilne.
RNA molekule eristatakse esimeste väikeste tähtedega. Kõige tuntum on mRNA, mille järgi moodustub valgu molekul. Väikesed on geenis või interaktiveeruvad teiste rna molekulidega. Ka geen ning RNA ei ole üksüheses vastavuses. Geeni mõiste on muutunud oluliselt viimase paarikümne aasta jooksul, nüüd on ta pigem funktsionaalne kui struktuurne ühik. Üks geen on võimeline andma oluliselt rohkem valkusi. Inimesel on 20000 geeni, valke on umbes 150 000 (erinevatel perioodidel ).
DNA/RNA paigutus kromosoomis
Genoom = kogu kromosoomides olev DNA
Viiruse kromosoom 1. ühe või kaheahelaline DNA või RNA
2. tsirkulaarne või lineaaarne
3. ümbritsetud valguga
Prokarüoodi kromosoom on enamusel kaheahelaline tsirkulaarne kromosoom(DNA). Minikromosoomid ehk plasmiidid. Ei ole tuumas vaid moodustavad nukleoidi.
Geneetiline kood on unviversaalne ning selle realiseerumine on samuti universaalne protsess. See on molekulaarse tasandi ühtsus, põhiprotsessid on suhteliselt sarnased erinevates organismides. DNAs on informatsioon, mis realiseerub läbi RNA, moodustub valk ja see toimub läbi ribosoomi. Erinevates diferenseerunud rakkudes on valguprodukt (kus talle on pandud juurde teised molekulid) on erinev, aga muud asjad on üldjoontes samad.
Genoom on rakus olev kogu DNA. Diploidsetes organismides loetakse genoomiks haploidset karnituuri. Kogu kromosoomis olev DNA on genoom. Genoom pole sama mis on karüotüüp, see on liigispetsiifiline. Genoom on nukleiinhape , kromosoom on kompleks nukleiinhappest ja tervest erinevast reast valkudest. Eukarüootidel on genoom paigutatud kromosoomidesse, prokarüootidel on ta tsirkulaane (plasmiidis või nukleoidis, üksainuke kromosoom).
Genoom on pakendatud kuna rakk on väike. DNA molekul ühes kromosoomis on piisavalt pikk. et tagada DNA pakitus ja funktsionaalsus, on DNA omakorda erinevalt pakitud sinnamaani kuni saame mitootilise kromosoomi. DNA ja valkude kompleksi nimetatakse kromatiidiks.
Eukarüootse kromosoomi struktuur
Kromatiin - DNA ja valkude kompleks kromosoomis, valku 2x rohkem kui DNA
Kaks põhilist valku:
Histoonid aluselised valgud, positiivse laenguga, seovad DNA. 5 põhitüüpi: H1, H2A, H2B, H3, H4. Võrdne DNA massiga, evolutsiooniliselt konserveerunud.
Mittehistoonsed väga erineva nii struktuurilt kui tüübilt, hulk varieerub tugealt. >> 100% DNA mass, 5,000 bp). Microsatelliidid( short tandem repeats e.g., TTA|TTA|TTA).
Telomeerne garanteerib programmeeritud rakusurma. Kui teda enam ei ole, siis rakk hukkub.
DNA replikatsioon
DNA süntees toimub poolkonservatiivselt. Tõestati ära Watson.Cricki mudel. Kovalentse sideme tagamiseks nukleotiidide vahel on vajalik DNA polümeraas ning Mg ioon , mis aktiveerib polümeraasi. DNAd on võimalik paljundada ja ta säilitab oma stabiilsuse.
1955: Arthur Kornberg avastas DNA sünteesi mehhanismi in vitro . Vajalik neli komponenti:
dNTPs: dATP, dTTP, dGTP, dCTP (deoxyribonukleosiid 5’-trifosfosfaadid) (suhkur-alus + 3 fosfaati)
DNA matriits
DNA polümeraas I (Kornbergi ensüüm)(DNA polymeraas II ja III avastati veidi hiljem)
Mg 2+ (optimeerib polümeraasi aktiivsuse)
DNA süntees:
DNA polümeraas I katalüüsib fosfodiester sideme moodustumist deoksüriboosi 3’-OH (viimasel nukleotiidil) ja dNTP 5’- fosfaadi vahel. Energia saadakse kahe fosfaatrühma vabanemisel. DNA polümeraas I “leiab ülesse” õige komplementaarse dNTP kogu elongatsiooni vältel. Kiirus ≤ 800 dNTP/sekundis. Madal vale paardumiste määr. Sünteesi suund alati 5’ 3’ suunas.
Eksonukleaasne funktsioon – replikatsioojijärgselt toimub korrektuur ( vigade parandamine). Seda nim DNA reparatsiooniks. Kõikidest võtab osa ühel või teisel moel mingisugune eksonukleoaas. See tagab geneetilise info stabiilsuse. Ta ei ole muidugi 100% tõhus, mõned vead lähevad ka läbi.
Replikatsiooni algus (prokarüoodil): Algab kaksikahela denaturatsioonist, nii saab alguse lämmastikalauste ekspositsioon. Replikatsioon kahes suunas.
Initsiatsioon:
Üheahelalisi DNA lõike nimetatakse matriitsideks. Güraas on ensüüm ( topoisomeraas ), mis vabastab superspiralisatsiooni. Initseeriv valk ja DNA helikaas seonduvad DNAga replikatsiooni kahvlis ja toimub lahtikeerdumine. Energia tuleb ATPst. ATP hüdrolüüs põhjustab konformatsioonilisi muutusi helikaasis. DNA primaas seob järgnevalt helikaasi, nii et moodustub primosoom. Primaas sünteesib väikese, 10-12 RNA, millele DNA polümeraas hakkab sünteesima juurde nukleotiide . Polümeraas III lisab nukleotiide 5’ 3’ suunas mõlemal ahelal , alustades RNA praimerist. RNA praimer hiljem eemaldatakse ja asendatakse DNA polümeraasiga. Vahemik säilitakse ligaasi poolt. Üheahelaine DNA stabiliseeritakse kogu protsessi vältel spetsiaalse valguga.
Kui replikatsioonikahvel kogu aeg avaneb , siis ühe DNA ahela süntees on pidev ehk toimub kogu aeg. Teisel juhul läheb ta kahvlist eemale ja on teistpidi (süntees toimub väikeste fragmentidega, mis omavahel pandakse kokku). Ahelate peal DNA süntees ongi erinev oma mehhanismilt. Igale fragmendile sünteesitakse alati juurde oma väike RNA (et süntees saaks toimuda). Süntees toimub sinnamaani kui pikk konkreetne ahel on. Tegelikult kahe ahela süntees ongi erinev ja selle pärast, et geeniliselt ei saa nukleotiide külge panna vastassuunas.
Kui fragmendid on, siis DNA ligaas paneb fragmendid kovalentselt kinni. Seda nimetakse tühimiku sulgemiseks, saadakse pidev konkreetne ahel.
Süntees viirustel
Katkemine, moodustub 5’ ots kui praimer. Võib alata ükskõik kuskohast genoomis, võimaldab palju sünteese kiiresti. Viiruse kokkupanekul lõigatakse individuaalsed kromosoomid ja pakitakse.
DNA replikatsioon eukarüootidel: Kopeeritakse rakutsükli S faasis
Põhilised kontrollpunktid: Raku oma suurus ja sobiv keskkond. Rakk ei lähe mitoosi enne kui kogu genoom replitseerunud. Kromosoomid peavad olema seotud käävi tuubulitega. Proliferatsioni kontroll tsükliinide ja tsükliin-sõltuvate kinaasidega (Cdks).
Eukarüoodis on DNA molekul on väga pikk, süntees algab samal ajal paljudes erinevates DNA molekuli piirkondades. See on selle pärast, et süntees toimuks võimalikult kiiresti.
Imetaja rakkudes on polümeraase tunduvalt rohkem. Tuumas ja mitokondrites on erinev DNA replikatsioon ning erinevad polümeraasid. Osa polümeraase sünteesib, osa korrigeerib. Kõik reparatsiooniensüümid, mis on eukarüootsel organismil, on polümorfsed. Selle aktiivsuse poolest erinevad inimesed ka omavahel – osad inimesed on tundlikumad keskkonnas toimuvatele mutatsioonidele jne.
Lineaarsete kromosoomide otsad ( telomeerid )
DNA polümeraas/ligaas ei tööta kromosoomide otstes, kui RNA eemaldatud . Seepärast iga paljunemistsükli järel kromosoom lühem. Telomeerid on tandemkordused. Telomeraas , mis on komplementaarne kordusega (RNA valk kompleks) seob terminaalsed järjestused ja katalüüsib uued järjestused otsa . Kui seda ei toimu, siis kromosoomid lühenevad ja sellega piiratakse rakkude jagunemist. Üks vorm apoptoosiks.
Telomeerid on spetsiifilised järjestused. Kui kromosoomid lõppevad telomeeridega, siis nad omavahel enam kovalentselt ei ühine ja selle tulemusena saavad kromosoomid olla kompaktsed. Telomeerse järjestuse järgi moodustatakse rna praimer ja selle alusel moodustatakse samasugune asi neile otsa. Telomeraasi aktiivsus normaalsetes tingimustes on väga madal. Iga kord kui meil DNA paljuneb ning rakk paljuneb, siis telomer lüheneb kuni sinnamaani, et teda enam ei ole, kromosoomid sulavad kokku ja RAKK HUKKUB! Ühinemine on ära määratud rakutsüklite abil, see määrab ära kui kaua üks rakk saab elada ja paljuneda. Nii juhtub kasvaja rakkudega (neil telomeerid ei lühene ning rakud ei allu organismi kontrollile , saavad paljuneda lõpmatult). On ainult eukarüoodsetel rakkudel.
Valgu sünteesi geneetiline kontroll
Igat reakstsiooni kontrollib sageli rohkem kui üks geen (mitmeahelalised polüpeptiidid). Mitmed rajad on harulised.
Mitmed rajad on harulised, ensüüm koosneb tavaliselt mitmest erinevast polüpeptiidahelast. Geen määrab ühe ensüümi, mitte ühe valgu.
Üks geen võib anda rohkem kui ühe polüpeptiidi. Alternatiivne splaissing on koespetsiifiline. Paljud geenid transkribeeritakse RNAsse, kuid nende järgi ei moodustu valku ( rRNA, tRNA, snRNA). See on oluline geenide regulatsioonis ontogeneesis. Ka mittekodeeriv DNA reguleerib geenide ekspressiooni.
Pärilikud haigused inimesel seotud ensüümide puuduse või madala aktiivsusega.
Fenüülketonuuria:
Mutatsioon fenüülalaniin hüdroksülaasi geenis, mis takistab fenüülalaniini konverteerimist türosiiniks. Homosügootne retsessiivne tõbi:: ~1 - 12,000 sünni kohta kaukaaslastel 12 kromosoom. PKU haigetel fenüülalaniin koguneb ja muutub fenüülpüruvaadiks. See ei lase närvisüsteemil korralikult välja areneda ja surevad varakult (raseduse ajal kompenseerivad ema ensüümid.
Pleiotropne efekt: türosiin vajalik kilpnäärme hormooniks ja adrenaliini sünteesiks, samuti melaniini moodustumisel. Võimalik interventsioon on fenüülalaniinivaba dieet kohe sünnijärgselt kuni 10 eluaastani. PKU rasedad peavad olema raseduse ajal dieedil, muidu lapsed alaarenud sõltumata genotüübist.
I tüüpi Albinism :
Mutatsioon türosinaasi geenis, mis konverteerib türosiini melaniini prekursoriks dihüdroksüfenüülalaniinika (DOPA). Albiinod ei tooda melaniini. Homosügoodid retsessiivid: ~1 - 33,000 valgetel 1 - 28,000 mustadwel Ameerikas. Ei ole pleiotroopne . On ka teisi albinismi vorme (tüüp II ja III).
Tay- Sachs ’i sündroom:
Lüsosomaalne talletushaigus, kuna lüsosomaalne ensüüm vigane . Homosügootne retsessiivne, 15 kromosoomis. Harv haigus, sage juutidel Kesk-Euroopas (~1 - 3,600). Mutatsioon HexA geenis, mis kodeerib ensüümi N-atsetüülheksoosaminidaas. Akumuleeruvad aju rakkudesse gangliosiidid (närvirakkude membraani glükolipiidid). Ravi puudub, (paralüüs, reetina degeneratsioon jne, surm 3-4 aastaselt)) võimalik skriinida heterosügoote.
Geeni ekspressioon - transkriptsioon
Geneetilise info realiseerumine tunnuseks käib DNAlt üle RNA valguni. Kaheastmeline protsess: Transkriptsioon = ühe-ahelalise RNA süntees DNA matriiksilt (transkribeeritakse alati ühelt ahelalt. Translatsioon = valgu süntees ehk mRNA info konverteeritakse polüpeptiidahelaks ehk a/h järjestuseks. Just aminohape on geneetilise koodi poolt määratud. Mõlemad protsessid toimuvad kogu rakutsükli ajal.
Ekspressiooniprotsess ise on suhteliselt universaalne. Erineb regulatsioon erinevates rakutüüpides ning pro- ja eukarüootide vahel. Kõik rna tüübid on kodeeritud DNA poolt.
RNA süntees on väga sarnane DNA sünteesile. Vahe selles, et matriitsiks on DNA molekul. RNA molekuli moodustumiseks ei ole vajalik praimer. Molekule ei korrigeerita. See on ka energeetiliselt kallis lõbu. Kuna RNA ei ole reeglina korduvkasutatav (moodustatakse kogu aeg selleks, et sünteesida mingisugust valgu molekuli, neid sünteesitakse palju). Kõik molekulid on reeglina üheahelalised, kuid ta võib võtta erinevaid konfiguratsioone (ei ole alati lineaarne). Tal on endal eksonukleaalne võime. Võib ise toimida kui ensüüm. Vahe selles, et kui lahtikeerudunud matriitsile moodustub komplementaarne RNA molekul, mis saavutades teatud pikkuse (kindlaks määratud) irdub ise DNA pealt lahti.
Kuidas RNA sünteesitakse?
Sünteesi reguleerib iga geeni regulatoorne element. DNA keerdub geeni kohalt lahti. RNA transkribeeritakse 5’ 3’ suunas matriitsilt (3’ 5’).
Sarnane DNA sünteesiga va: NTP, mitte dNTPs ( deoksü), Ei ole vaja praimerit, Ei ole korrektuuri (proofreading), Uratsiil , mitte tümiin, RNA polümeraas.
Transkriptsiooni kolm staadiumi:

Initsiatsioon

Elongatsioon

Terminatsioon
Ühesugune pro- ja eukarüootidel. Elongatsioon on konserveerunud kogu elusas looduses. Initsiatsioon ja terminatsioon on erinevad pro-ja eukarüootidel.
1-Initsiatsioon
RNA polümeraas ühineb sigma faktoriga (valk), mille järel moodustub RNA polümeraasi holoensüüm. See tunneb ära promootori ja initseerib transkriptsiooni. Sigma faktorit on vaja, et efektiivselt saaks polümeraas ühineda. Erinevad sigma faktorid tunnevad ära erinevad promootor piirkonnad. RNA polümeraasi holoensüümi ühinemisel DNAga viimane keerdub sellelt kohalt lahti. Sellest kui tugevalt polümeraas seondub, sõltub ekspressiooni aktiivsus.
2-Elongatsioon
Pärast 8-9 aluspaariga ahela sigma faktor vabastatakse ja läheb uue reaktsiooni läbiviimiseks. RNA polümeraas viib ülejäänud transkriptsiooni läbi kiirusega 30-50 bp/sekundis. DNA keerdub lahti kiiresti ja kohe pärast ensüümi mõõdumist taastub. Seepärast mingil ajal on osa RNAst hübridiseerunud DNAga, enamus aga vabaneb kohe kui heeliks taastub.
3-Terminatsioon
Prokarüootidel kaks ternminaator järjestust: I tüüpi - Palindroomne, inverteeritud kordus moodustab silmuse, millega vabaneb DNA-RNA hübriid. II tüüpi - Spetsiifiline valk, mis lõhub vesiniksidemed DNA-RNA hübriidi vahel.
Geenil on kolm piirkonda (alati ja kõikidel geenidel). Peale selle, eukarüootidel on ühte geeni reguleerivaid piirkondi, võib olla üle genoomi erinevaid. On olemas promootorpiirkond, piirkond valgu struktuuri määramiseks, dermineeriv piirkond (kohapeal enam transkriptsiooni ei ole või see lõpetatakse ära). Esimene piirkond amfiimne, mille külge kinnitub RNA polümeraas. Iga rna tegemiseks peab olema oma tRNA.
Terminatsioonis on oluline konfiguratsiooni moodustamine, mis moodustub vastavalt sellele milline on lineaarne geenistruktuur. Ühel kohal tekib kaksikahel. Sekundaarne ja tertsiaalne struktuur tuleneb eelkõige nende primaarsest ahelast . Analoogne on ka valgu korral.
Valku kodeerivate geenide transkriptsioon RNA II polümeraasiga : Transkriptsiooni produkt mRNA. Vajalik promootor ekspressiooniks. Põhielement (start, ~-25 bp) “TATA Box” = TATAAAA. Proksimaalne element ( ~-50 to -200 bp) “Cat Box” = CAAT and “GC Box” GGGCGG. Eri kombinatsioonid eri geenide promootorites.
RNA peab olema lõpetatud molekul, muidu ta ei ole stabiilne. Lõppu pandakse mitte… järjestused.
RNA polümeraas II
Transkriptsioonifaktor sama mis sigma prokarüoodil;kõik RNA polümeraasid vajavad. TFid on valgud, mis formeeruvad promootori basaalelemendil. Iga TF töötab vaid oma RNA polümeraasiga, iga polümeraas nõuab TF’i. Märgitakse vastavalt polümeraasile TFIID, TFIIB , TFIIF, TFIIE, TFIIH. RNA polümeraas + TF kompleksi nimetatakse preinitsiatsioonikompleksiks.
Transkriptsiooni aktiveerib enhancer järjestus DNA-l.
mRNA erinevused pro- ja eukarüootidel:
Prokarüoodid : mRNA transkript on kohe selline, millel algab translatsioon. Kuna proakrüoodil puudub tuum, siis translatsioon algab kohe kui algab transkriptsioon (protsessid on üheaegsed), toimub muidugi ribosoomil. mRNAs on polüstistroonne: sisaldab mitmelt geenilt transkribeeritud mRNAd. Hiljem valkude eraldamine.
Eukarüoodid : Esmalt pre-mRNA st. ta ei ole kohe valmis transleeruma, teda tuleb töödelda. Transkriptsioon ja translatsioon ei toimu samaaegselt(transporditakse enne tuumast tsütoplasmasse). Eukarüootne mRNA on monotsistroonne, vaid ühe geeni produkt.
Vahe on selles, et eukarüootidel peab mrna tulema tuulmast välja, tuuakse aminohappe molekule sinna jne.
Eukarüootne pre-mRNA sisaldab mittekodeerivaid osasid, mis eemaldatakse protsessingu käigus. intron = mitte kodeeriv DNA järjestus eksonite vahel, ekson = kodeerivad osad geenis.
mRNA eksonite splaissing ja intronite eemaldamine:
Intronite otsad spetsiifilised 5’-GT(U) algus ja AG-3’ lõpp. Splaissing splaissosoomide abil, mis on snRNA ja valgu kompleks, mis lõikab läbi 3’ otsa ja seob eksonid . Intronid degradeeritakse raku poolt. Selline transkriptsioon võimaldab alternatiivset splaissingut.
Post-transkiptoorne mRNA modifitseerimine :
Lisab ja võtab ära osa nukleotiide pre-RNA, samuti modifitseerib keemiliselt nukleotiide, et nad ei oleks komplementaarsed DNA järjestustega. See viib ka a/h asendumisele, mis on veidi erinev. Üldiselt raku- või koespetsiifiline.
Valkusid mittekodeerivad geenid: rRNA, ribosomaalne RNA (katalüüsib valgu sünteesi, aitab tRNA koos a/h siduda mRNA); tRNA, transport RNA (Transpordib a/h mRNA translatsiooniks); snRNA, väike nukleaarne RNA )Koos valkudega moodustab splaissosoomi, mis võtab osa RNA protsessingust (intronite eemaldamine); interferents RNA reguleerib ekspressiooni.
rRNA süntees ja ribosoomid : Rakus tuhandeid ribosoome. Koosnevad kahest subühikust:suurest ja väikesest; kompleks valkudega. DNA piirkonnad, mis kodeerivad rRNAd nimetatakse rDNA-ks. Eukarüootidel on palju rRNA geene, mis korduvad tandeemselt. Transkriptsioon sarnane valke kodeerivate geenide transkriptsiooniga, kasutades RNA I polümeraasi. rRNA süntees nõuab oma transkriptsioonifaktorit. Kodeerivatel rRNA geenidel on omad speisserid, mis eraldavad subühikuid ja aitavad rRNA assambleerumiseks ribosoomis. Ribosoomi subühikud on omavahel seotud vesiniksidemetega. Lõpuks transporditakse RNA tuumast tsütoplasmasse ja initseeritakse valgu süntees.
tRNA süntees:
tRNA geenid on samuti kordustena, neis võivad olla intronid ja nad on paigutunud üle kogu genoomi. Igal tRNA (75-90 nt pikkune ) on erineva nukleotiidse koostisega, mis seob erinevat a/h. Enamus tRNAs modifitseeritakse tuntavalt pärast transkriptsioni. tRNA moodustab kaks olulist “loopi”, see tingitud komplementaarsetest nukleotiididest. Ühes loobis on anti-koodon, mis tunneb ära koodoni mRNA-s translatsioonis. Üldiselt sama mehhanism mis teistel geenidel: RNA III polümeraas, promootorid, oma TF ja posttranskriptoorne modifitseerimine.
snRNA : Moodustab splaissosoome koos valkudega ja võtab osa pre-mRNA protsessingust (intronite eemaldamisest mRNA moodustamisel). Transkribeeritakse II ja III tüüpi RNA polümeraasidega.
Geeni ekspressioon: translatsioon ja geneetiline kood
Geeni väljendus on valk; kui rakul on vaja valku, siis tuleb lugeda vastavat geneetilist koodi. Translatsioon - mRNA-l oleva info konverteerimine a/h järjestuseks ehk polüpeptiidiks. Geneetilise info lugemine kaheetapiline: Transkriptsioon – sünteesitakse DNA matriitsil ühe-ahelaline RNA molekul DNA matriitsil.
Valk ehk proteiin : Suure mol.kaaluga, lämmastikku sisaldav orgaaniline ühend. Sisaldab ühte või mitut polüpeptiidi. Polüpeptiidid koosnevad aminohapetest.
Aminohapped : Amino grupp (NH2), Karboksüül grupp (COOH), Vesiniku aatom , R grupp (igal a/h erinev). A/H on omavahel seotud peptiidsidemega polüpeptiidahelas (ahelad ei ole omavahel nii seotud). Peptiidside = kovalentne side ühe a/h karboksüülrüüma ja teise a/h aminorühma vahel.
Funktsionaalselt valkudel eristatav 4 erinevat tasandit, ainult esimene on geneetiliselt kindlaks määratud. Ülejäänud sõltuvad primaarsest ahelast. Valgud on väga amfiinsed. Valgu teiste struktuursete tasandite saavutamiseks on olemas spetsiaalsed kaitsevalgud, mis ümbritsevad ühte konkreetset polüpeptiidahelat kui ta toimetab. Peptiidside tuleneb keemiliselt, aga aminohapped määratakse ära geneetiliselt.
Erinevate meetoditega oli võimalik identifitseerida 61 koodonit , need kodeerisid aminohappe asupaika. Ülejäänud 3 ( nonsense või stop-koodon), mis ei kodeeri aminohapet, aga millega lõppeb ära mRNA, et rohkem aminohappeid sellele ahelale vaja ei ole.
Valkudel on neli organisatoorset tasandit:

Primaarne = a/h järjestus, määratakse gen.koodi poolt mRNA.

Sekundaarne = kujuneb elektrostaatiliste jõududem ja vesiniksidemetega aminohapete vahel

Tertsiaarne = kolmemõõtmeline kuju, mis tagab funktsioon

Kvaternaarne – mitme ahela ühinemine koos prosteetilise rühmaga moodustamaks spetsiifilist funktsionalset valku .
Geneetiline kood ( mRNA, 5’ poolt 3’): Kood on triplet; iga 3 nukleotiidi mRNA määrab 1 a/h. Koodidel ei ole mingit vahenukleotiidi, seda loetakse järjest. Kood ei kattu, iga nukleotiid on vaid ühes tripletis. Kood on praktiliselt universaalne; sama kood eri organismidel määrab sama a/h. Kood degenereerub 18 a/h 20st kodeeritakse rohkema kui ühe koodoni poolt (v.a. Met ja Trp), paljudel on neli koodonit kolmandas positsioonis. Koodil on start koodon (ATGkodeerib metioniini), sellest tavaliselt algab valgu süntees j kolm stopkoodonit, mis termineerivad polüpeptiid ahela . Nõrk side(Wobble) tRNA antikoodonis, mis tähendab, et kolmas nukleotiid on kõige nõrgem ja paardub vähemspetsiifiliselt.
Kood ei kattu ja seda loetakse ilma vaheta 3-kaupa. Kood on universaalne. Kogu elusloodus on ühesuguse geneetilise koodiga . See on tõestus evolutsioonist.
Valgu süntees toimub ribosoomidel. mRNA transleeritakse 5’ suunas 3’. ProtValk sünteesitakse N-terminuselt C-terminusele . A/h seob tRNA, mis transpordib selle ribosoomile: Spetsiifiline seondumine tRNA-ga; Komplementaarne aluste paardumine mRNA koodoni ja tRNA anti-koodoni vahel. mRNA tunneb ära tRNA anti koodoni, mitte a/h.
Translatsiooni 4 staadiumi: tRNA aktiveerimine ; Initsiatsioon; Elongatsioon (aminoatsüül tRNA sidumine ribosoomiga , Peptiidsideme moodustumine a/h vahel, Ribosoomi liikumine järgmisele koodonile); Terminatsioon.
tRNA aktiveerimine(aminoatsüleerimine): A/h ühineb tRNAs aminoatsüül-tRNA süntetaasi abil. Kasutab ATP energiat. 20 erinvat different aminoatsüül-tRNA syntetaasi (igal a/h oma). tRNAs on ensüümispetsiifiline sait .
Elongatsioon: Aminoatsüül tRNA seob ribosoomiga (aktiveeritud).Peptiidside. Ribosoom uue koodoni juurde.
Geeni regulatsioon prokarüootidel
Regulatiivsed geenid kontrollivad rakkude kasvu ja paljunemist. Ekspressiooni reguleeritakse vastavalt raku vajadusele ja keskkonna poolt, ei ole pidev).
Konstitutiivsed geenid ekspresseeritakse pidevalt .
“Housekeeping” geenid (vajalikud valgu sünteesiks ja glükoosi ainevahetuseks). Kõiki geene reguleeritakse teatud tasemetel.
Operon on geenide klaster, mis reguleeritakse üheskoos ja mis vastutab ühe metaboolse ahela eest. Sisaldab: Promootor, Repressor , Operaator ehk kontrolliv sait, Kodeerivad järjestused, Terminaator järjestus. Kõrvuti asetsevad kodeerivad järjestused transkribeeritakse üheskoos, moodustub polügeenne mRNA.
Induktor – keemiline aine (võib tulla ka keskkonnast), mis initseerib tarnskriptsiooni. Induktsioon – geeniprodukti süntees vastusena induktorile.
Geeni ekspressiooni regulatsioon eukarüootidel
Erinevus pro ja eukarüootide vahel:
Ekspressiooni prokarüootidel kontrollitakse operoni tasemel, nende regulatoorsete elementide poolt, mis asuvad struktuursete geenide ees. Eukarüootidel reguleeritakse igat geeni eraldi, regulatoorsed osad geenide ees aga ei ole operoni süsteemi kui sellist. Eukarüoodi ekspressiooni regulatsioon on kompleksem, tal on tuum ja transkriptsioon ja translatsioon eri aegadel ja kohtades
Eukarüootide ekspressiooni saab jagada kaheks: Lühiaegne – geenid lülitatakse sisse välja kiiresti, olenevalt keskkonnast ja raku vajadustest . Pikaaegne – evolutsioonis kinnitunud, seotud ontogeneesi ja arenemisega ning rakkude diferentseerumisega.
Eukarüoodi geeniekspressioon reguleeritakse 6 tasandil:

Transkriptsioon

RNA protsessing

mRNA transport

mRNA translatsioon

mRNA degradatsioon

Valgu degradatsioon
Transkriptsiooni kontroll:

Promootorid: Transkriptsiooni algusest üleval pool. Mõni promootor näitab kus transkriptsioon algab (näit. TATA), teised määravad millal transkriptsioon algab. Promootereid aktiveerivad spetsiifilised valgud, mida kutsutakse transkriptsiooni faktoriteks (TF); need seonduvad promootorregiooniga spetsiifiliselt. Ühel geenil võib olla üks või mitu promootorit, igal promootoril oma TF. Promootorid nii pos. kui neg. tagasisidemega reguleeritud.

Tugevdajad ehk enhanserid (enhancers): Esinevad mõlemal pool, nii ülal kui allpool start koodonit. Regulatoorsed valgud seonduvad spetsiifiliselt enhancer järjestustega; sidumine määratakse spetsiifiliste enhancer järjestuste poolt. TF-iga ühinenud DNA moodustab silmuse, mis kontakteerub enhanseriga. Interaktsioonid reguleerivate valkudega määravad ära, kas toimub aktiveerimine või repressioon.
Mõned regulaatorvalgud on eri rakutüüpides ühesugused, teistes aga spetsiifilised. Igal promootoril ja enhanseril omad spetsiifilised valgud, mis määravad ekspressiooni. Ekspressiooni määr on funktsioon negatiivselt ja positiivselt kontrollivate regulatoorsete valkude interaktsioonidest. Geeni regulatsioon on kombinatoorne; enhanserid ja promootorid seovad mitmeid regulatoorseid valke, mille tulemusena tekib palju erinevaid interaktsioone; sellest ka erinevad regulatsioonid.
Kromosoomi struktuur, histoonid:
Prokarüootidel puuduvad valgud kromosoomis, seepärast regulatsioon vahetu sidumine DNAga. Eukarüootidel kromosoomis DNA seotud histoonidega; see takistab transkriptsiooni, sest ei lase valkudel seonduda DNAga ja aktiveerida geene. Tõestatud DNase I tundlikkusega: DNaas I degradeerib transkriptoorselt aktiivset DNA-d; Histoonid katavad mitte-transkribeerivat DNA-d DNaas I eest.
Kui lisada histoone, siis konkureerivad histoonid sidumisega promootoritel ja inhibeerivad transkriptsiooni. Järelikult transkriptoorselt aktiivsed geenid on nõrgemalt histoonidega seotud kui inaktiiivsed.
Histoonid modifitseeruvad nii fosforüleerimise kui atsetüleerimise teel, mis muudab nende sidumisvõimet DNA-ga. Enhanseriga seonduvad valgud konkureerivad ja blokeerivad histoone ja TF-valk komplekse. RNA polümeraas ja TF peavad minema mööda histoonidest. Kui see juhtub, algab transkriptsioon.
DNA metüleerimine ja transkriptsiooni kontroll: umbes~3% sünteesitud DNAst on metüleeritud. Metüleerimine enamuses sümmeetriliselt GC järjestustes. Aktiivsed geenid ei ole tavaliselt metüleeritud või on see madal. Metüleerimine oluline arengus; üks tee geenide vaigistamises (fragiilne X sündroom>).
Regulatsioon hormoonidega – samuti kiire ekspressiooni muutus:
Eukarüootide rakud on reeglina kaitstud ümbritseva keskkonna kiirest muutusest. Hormoonide signaal on üks mehhanismidest transkriptsiooni regulatsioonis. Hormoone toodavad ühed rakud ja talle vastavad teised rakud. Hormoonid toimivad vaid märklaud rakkudel, milledel on vastavad hormoonretseptorid
Kahte tüüpi hormoonsignaale:
Steroidhormoonid läbivad plasmamembraani, seovad tsütoplasmaatiliste retseptoritega (valgud) ja see kompleks seob DNA ja reguleerib ekspressiooni.
Peptiidsed hormoonid seovad raku pinnaretseptoreid ja aktiveerivad transmembraansed ensüümid, mis modustavad sekundaarsed messengerid (cAMP), mis siis aktiveerivad transkriptsiooni.
Steroidhormoonid on tsüklilised ühendid, erinevus vaid külgahelates. Geenid, mida reguleerivad steroidhormoonid omavad spetsiaalseid seonduvaid piirkondi (HREs - steroid hormone response elements). HRE on sageli paljude kordustena enhancer järjestustes. Kui hormooni ei ole, siis retseptor on seotud valguga ja transkriptsiooni ei indutseerita. Kui hormoon on olemas, siis ta ühineb retseptoriga ja repressor valk vabaneb, seondub HRE järjestusega geenis ning algab transkriptsioon.
Kontroll RNA protsessingu tasandil reguleerib mRNA produkti pre-mRNA-st. Kaks üksteisest sõltumata mehhanismi: Alternatiivne polüadenüleerimine – lisatakse polüA saba. Alternatiivne splaissing –millised eksonid splaissitakse. Mõlemad protsessid võivad toimuda üheaegselt.
mRNA transpordi kontroll: Eukarüoodil reguleeritakse mRNA transporti tuumast tsütoplasmasse. Eksperimendid näitavad, et peaaegu pooled tuumas sünteesitud transkriptid ei jõua sealt välja ja degradeeritaksegi tuumas. Küps mRNAs läheb tsütoplasmasse läbi tuumamembraanisolevate pooride.
mRNA kontroll translatsioonil: Heaks näiteks on viljastamata munarakk, milles mRNA-d küll sünteesitakse ja säilitatakse, kuid ei transleerita. Intensiivne translatsioon algab kohe pärast viljastamist. Taoline säilitatav mRNA on kaetud vastavate valkudega, mis kaitsevad seda degradatsiooni eest ja inhibeerivad translatsiooni. Polü(A) terminaalne järjestus viib translatsioonile. Säilitatud mRNAs on polü(A) väga lühike. Aktivatsioon toimub siis kui ensüüm tunneb ära AU-rikkad elemendid ja lisab nendele ~150 A nukleotiidi, et moodustuks täielik polü(A) terminus .
mRNA degradatsiooni kontroll: Kõik RNA molekulid degradeeritakse raku tsütoplasmas, degradatsiooni kiirused on erinevad; tRNA ja rRNA on suhteliselt stabiilsed, mRNA stabiilsus varieerub. Stabiilsus muutub regulatoorsete signaalide mõjul, mis arvatakse olevat ka oluline translatsiooni kontrollpunkt . mRNA eluea pikkust mõjutavad: AU-rikkad elemendid; Sekundaarne struktuur; Deadenülatsioon ehk adeniini eemaldamine polü(A)st; mRNA fragmenteerumine (oma ensümaatiline aktiivsus) ja fragmentide degradatsioon.
Post-translatoorne kontroll: Erinevate valkude modifitseerimine (ubiquitiin, mis teevad valgud lühi- või pikaaegseteks (vastavalt näiteks steroid retseptorid lühiaegsed ja silma valgud näiteks pikaaegsed). Just a/h N-terminused määravad valkude stabiilsuse; kui palju vastavaid aminohappeid valkudes on.
Pikaaegne geenide regulatsioon arengus ja diferentseerumises:
Samad organismide rakud diferentseeruvad arengu käigus, moodustades eri funktsioone täitvaid kudesid ja organeid. Arenemine ehk ontogenees tähendabki genoomi ja tsütoplasma interaktsiooni keskkonnaga, mille tulemusena toimuvad pöördumatud etteprogrammeeritud muutused organismi fenotüübis, mis on evolutsiooniliselt kinnistunud.
Differentseerimine seevastu on erinevate rakutüüpide, kudede ja organite moodustumine läbi spetsiifilise geenide regulatsiooni.
Arenemise ja diferentseerumise tasemed : Morfoloogiline ; Biokeemiline; Geneetiline (genoomi repressiooni/aktivatsiooni muster).
Genoomi aktiivsus ontogeneesis: Enamus genoomi DNA-st ei kodeeri valku ( junk DNA;~98.5% inimesel). Merisiilikul on näiteks igal ajahetkel vaid ~6% unikaalsetest järjestustest transkriptsioonil. Diferentseerunud kudedes vaid 0,8% genoomist ekspresseeritakse. Ega me veel praegu ei tea “junk” DNA rolli, võimalik et see ei ole ainult kasutu.
Molekulaargeneetika meetodid (I)

Amplifitseerimine (Polümeraasi ahela reaktsioon -PCR)

DNA sekveneerimine ehk järjestamine

DNA Fingerprinting

Ühe nukleotiidi polümorfism (SNP)
Kuidas PCR töötab: DNA koos amplifitseerimist vajava lõiguga ja kaks sünteetilist oligonukleotiidist praimerit, mis on komplementaarsed lõigu algustega. Denatureerime DNA kaksikahela üheahelaliseks kuumutades 94˚C. Kiiresti jahutada DNA (37-65˚C) ja liita praimerid soovitava lõigu otsa külge (komplementaarne otsa nukleotiidiga). Nüüd ahela süntees 70-75˚C juures kasutades termo-resistentset DNA polümeraasi (nn. Taq polümeraas saadud Thermus aquaticus’elt). Sama protseduuri ( denaturatsioon , liitmine ja ahela süntees) korrata 20-45 korda (s.o. 1 million kuni 35 trillionit koopiat). Jahutame 4˚C ja säilitame paljundatud DNAd analüüsideks.
Kaasaegne automatiseeritud sekveneerimine fluorestseeriva märgiga: 4 värviga märgitud nukleotiidid ühes tuubis ja foreesitakse ühel joonel polüakrüülamiid geelis või siis kapillarides, millistes on geel. UV laser detekteerib värvid ja loeb järjestuse. Järjestus visualiseerub eri värvidega kromatogrammil, mis vastab nukleotiidide järjestusele. Väljund umbes 1200 aluspaari reaktsioonis ja 96 reaktsiooni 3 tunni jooksul. Enamus automatiseeritud sekvenaatoreid laetakse robotitega ja need töötavad 24 tundi järjest. Minimaalne tööjõu kulu.
DNA fingerprinting ehk DNA tüpiseerimine (profiling). Ei ole olemas kahte ühesuguse genotüübiga sugulisel teel paljunevat organismi (va. Ühemuna kaksikud) sest: Meioosi I profaasis ristsiire homoloogsete kromosoomide vahel; Juhuslik homoloogide jaotus gameetide küpsemisel; Mutatsioonid; DNA replikatsiooni vead.
DNA fingerprinting markerid: RFLP (restriktsiooni saidid). Polümorfsed lõikude pikkused detekteeritakse PCR(forees). Alleel-spetsiifilised oligonukleotiidid. Kordus DNA. Minisatelliidid (VNTR = variable number tandem repeats) - kordused 5-10 aluspaari ( A. J. Jeffreys 1985). Mikrosatelliidid (STR = short tandem repeats) - kordused 2-6 aluspaari.
Markerite valiku kriteeriumid: Peavad olema polümorfsed, ainult siis on informatiivsed. Markerid peavad olema ühes lookuses (ainult ühes kohas genoomis). Markerid on neutraalsed ehk ei ole seotud valiku või adaptatsiooniga. Markerid peaks olema eri kromosoomides, et nad oleks üksteisest sõltumatud.
Mikrosatelliidid on väga head markerid tüpiseerimiseks, sest: Polümorfsed (kiiresti tekivad ja muteeruvad); Ühes lookuses; Neutraalsed, sest ei kodeeri midagi; Sarnased praktiliselt kõikides oragnismides.
DNA Kloneerimine - Eesmärk on saada piisaval hulgal analüüsimiseks spetsiifilist ja puhast DNAd.
Kloneerimise etapid: Isoleerida ja puhastada DNA organismist või rakkudest. Lõigata DNA sobiva suurusega tükkideks kasutadas restriktsiooni ensüüme. Viia need DNA tükid kloneerimis vektorisse luues rekombinantse DNA molekuli. Kloneerimise vektor – kunstlik DNA molekul, mis on võimeline mingis organismis paljunema (tavaliselt vektor plasmiid, organism aga mikroob). Viia rekombinantne DNA vektoriga organismi kus ta antakse edasi paljunemise käigus järglaspõlvkonnale.
Plasmiidid: Plasmiid on bakteritele iseloomulik ekstrakromosomaalne rõngasjas, kahe-ahelaline DNA molekul, mis on võimeline ise autonoomselt rakus replitseeruma. Plasmiidseid vektoreid kasutatakse siis kloneerimiseks, sest sinna on võimalik kergesti sisse viia võõras DNA, ja plasmiid paljuneb autonoomselt.
Plasmiidil peavad aga olema teatud omadused: Esmalt ori sait, mis on vajalik replikatsiooniks. Plasmiid peab kandma mingit spetsiifilist tunnust, et eristada plasmiidiga mikroobe nendest , millel plasmiide ei ole (tavaliselt mingi antibiootikumi suhtes resistentsuse geen, nii et saame antibiootikumiga söötmel kasvatada vaid plasmiidiga mikroobe). Unikaalne restriktsiooni sait, see tähendab, et ei tohi olla rohkem kui üks koht, mis lõigatakse läbi restriktsiooni ensüümiga. Siis saab sinna panna sama ensüümiga läbi lõigataud DNA lõigu. Mingi marker, millega saab eristada inserdiga plasmiide, mitte rekombinantsetest (näit. lacZ geen).
Milleks cDNA raamatukogu kasutatakse:

Isoleerida ja järjestada geene, mis kodeerivad valku

Võrrelda eri organismide homoloogseid järjestusi

Määrata mRNA hulka ja geeni ekspressiooni taset rakus
Restriktsioon analüüs: Geeni struktuuri määramiseks; piiranguks on restriktsiooni saitide olemasolu ja restriktaaside valik. RFLPs on väga oluline analüüs nii kriminalistikas kui fülogeneesi uuringutes (igal indiviididil erinevatel kohtadel restriktsiooni saidid, selle tulemusena ka erinevad lõikude pikkused. Meetod oluliselt odavam kui DNA sekveneerimine. DNA lõikusid saab hübridiseerida nn. Southern blotiga, ilma kloonimata. See näitab homoloogia olemasolu või ka geenikoopiate arvu.
Northern Blot: Põhimõte sama mis Southern blotil, aga kasutatakse RNAd DNA asemel. Mõõdetakse mRNA suurust, määratakse erinevusi promootor ja terminaator saitide vahel jne. Kasutatakse geeni ekspressiooni uurimisel, kui palju ja millistes kudedes, millises rakutsüklis jne. geen on ekspresseeritud.
Inimese genoom: Hinnanguliselt 24 -32,000 geeni (sinnani arvati, et50,000-100,000). Ainult 50% rohkem kui nematoodil C. elegans . Ainult 1-1.5% genoomist kodeerib valku. 50% genoomist on kordus DNA. Inimesel ja bakteritel 233 ühesugust geeni.
Muutlikkus - Pärilikkus põhineb eeldusel, et geenid antakse järglastele usaldusväärselt edasi. See on liigi säilimise eeltingimus. Sellest aga ei piisa elusa looduse arenemiseks. Evolutsiooni alusmaterjaliks on just muutused geneetilises materjalis. Muutlikus võib olla fenotüübiline, kombinatiivne ning mutatsiooniline.
Järsud muutused geneetilises materjalis ongi mutatsioonid, neid muutusi põhjustanud protsesse nimetatakse mutageneesiks ja mutatsioone põhjustanud tegureid nimetatakse mutageenideks.
Mutatsioonid esinevad kõikidel päriliku materjali organiseerituse tasemel: genoommutatsioonid, kromosomaalsed mutatsioonid, geen- ehk punktmutatsioonid, spontaansed ja indutseeritud mutatsioonid, somaatilised ja germinatiivsed mutatsioonid, Geen, kromosomaalsed ja genoommutatsioonid, Pleiotroopia, DNA reparatsioon .
Arenguks on vajalik see, et need muutused genoomis ikkagi toimuksid. Need ei tohi olla järsud.
Fenotüüp on pärilikkus + keskkond. Sellise muutlikuse korral keskkond määrab ära selle milline see konkreetne fenotüüp on. See võib muutuda sõltuvalt sellest milline konkreetne keskkond millisel ontogeneesi etapil teda mõjutab. Fenotüübiline muutlikus on väga erineva ulatusega, mida nim reaktsiooninormiks (ehk ulatus), mille piirides saab tunnus muutuda kui keskkonnatingimused muutuvad. Tavaliselt on sellised reaktsiooninormides toimuvad muutused pöörduvad. Ta ei ole pärilikult kinnistunud. Erinevate tunnuste kohal on reaktsiooninorm erinev.
Keskkond võib mõjutada fenotüüpi ka nii, et tagasipöördumine ei ole võimalik kuna vajalikud tunnused ei saa välja areneda (ntx väikelapse näljutamine).
Indutseeritud – kasutatase mutatsioonide sagedust tõstvaid tegureid, mida nimetatakse mutageenideks. Me ei saa mitte kunagi mitte kusagil esile kutsuda mutageenidega spetsiifilist mutatsiooni. Nad tõstavad ainult mutatsiooni sagedust.
DNA reparatsioonisüsteem – kontrollib replikatsiooni vigu ja DNA enda intaksust (eukarüoodidel).
Charles Darwin (1809-1882) : Päriliku kohastumuslikud muutused tekivad juhuslike mutatsioonide tulemusena ja kinnistuvad tänu looduslikule valikule ( 1859 , The Origin of Species). Vastupidi Lamarckile ei ole keskkonna mõju tunnuste kujunemisel määrav.
Näitas ära selle, et kohastumuslikud muutused tekivad juhuslike mutatsioonide tulemusena ning kinnistuvad tänu looduslikule valikule. Keskkonna mõju tunnuse kujunemisele evolutsioonis ei ole nii olulised, sest sellele eelneb geneetiline muutus.
Mutatsioonid: geen, kromosoom, genoom. Aluste asendumine , insertsioon, deletsioon. Kromosomaalsed insertsioonid, deletsioonid, translokatsioonid. Somaatilised ja germinatiivsed.
Mutatsioone hinnatakse:

Mutatsioonide määr = tõenäosus, et teatud tüüpi mutatsioonid tekivad teatud ajaühiku vältel (põlvkond näiteks).

Mutatsioonide sagedus = mutatsioonide arv rakupopulatsioonis või indiviididel.
Mutatsioonid on alati juhuslikud!
Geenmutatsioonide tüübid koodi lugemise suhtes (ORF):
Missense mutatsioonid - aluse asendumine viib uuele aminohappele valgus.
Nonsense mutatsioon- aluse asendumine viib stopkoodonile ja sellega polüpeptiid lüheneb.
Neutraalsed mutatsioonid - aluse asendumine viib küll uuele aminohappele, aga viimase keemiline struktuur on sarnane eelmisega , mistõttu valgu omadused ei muutu või osutuvad kasulikeks adaptatsioonis hiljem.
Vaikivad ( Silent ) mutatsioomid - aluse asendumine ei muuda kodeeritavat aminohapet.
Mutatsioonid raaminihkega (Frameshift): deletsioon või insertsioon muudab sellest alates a/ koostist valgus, kiirema või hilisema stop koodonini jõudmist ja sellega polüpeptiidi koostise ja pikkuse muutmist.
Pöörd- ja supressormutatsioonid
Muteerumine - mutatsioon muudab metsiku tüve mutandiks.
Pöördmutatsioon - mutant pööratakse tagasi metsikuks. Reversioon toob tagasi algse a/h; reversioon toob küll uue a/h, aga sellega funktsioon taastub täielikult või osaliselt.
Supressor mutatsioon - esineb teises saidis, aga taastab funktsiooni maskeerides olemasoleva mutatsiooni, kuid ei eemalda olemasolevat mutatsiooni .Intrageenne supressor mut. samas koodonis (näit. lisandub nukleotiid, mis asendab toimunud deletsiooni). Intergeenne supressor mutatsioon teises geenis.
Intergeensed supressorid:
Palju funktsioone mRNA translatsioonil. Iga supressorgeen töötab vaid üht tüüpi nonsense, missense või frameshift mutatsioonil. Suppressorgeenid sageli kodeerivad tRNAd, mille antikoodon paardub stopkoodoniga ja paneb sinna aminohappe. Kolm tRNA nonsense supressorit; üks igale stop kodonile (UAG, UAA, UGA). tRNA suppressorgeeenid on koos metsiku tRNA-GA. tRNA suppressorid võistlevad vabanemis (release) faktoriga, mis on vajalik õigeks polüpeptiidahele terminatsiooniks.
Spontantaansed ja indutseeritud mutatsioonid: Spontaansed mutatsioonid võivad toimuda igas rakutsükli faasis. Transposoonide liikumine põhjustab sp.mut. Mutatsioonide määr = ~10-4 - 10-6 mutatsiooni /geen/põlvkond. Määr on erinevates genoomi osades erinev, palju sp.mut.repareeritakse.
Transponeerumine – tekivas spontaansed mutatsioonid tänu sellele, et transposoon võib minna mõne geeni keskele. On erinevad, tingitud näiteks retroviirustest, esinevad nii pro- kui eukarüoodsetel organismidel.
Spontaansed: Erinevad DNA replikatsiooni vead.
Wobble paardumine: T-G, C-A, A-G, T-C. Normal paardumine juba järgmises tsüklis; sagedus F2 on 25%.
GT paarid korrigeeritakse proofreadinguga, ka teiste reparatsioonisüsteemidega. Insertsioon ja deletsioon. DNA silmused matriitsahelal, mille jätab DNA polümeraas vahele ja selle tulemus deletsioon. DNA silmus uuel sünteesitud ahelal, polümeraas lisab aluse.
Spontaansed keemilised muutused alustes :
Depurineerimine - tavaliselt A või G eemaldatakse ja asendatakse juhusliku alusega.
Deamineerimine - Aminorühm eemaldatakse aluselt (C ® U); kui seda ei toimu, siis U paardub A järgmises replikatsiooni tsüklis ja moodustub (CG ® TA). Prokarüootide DNA sisaldab 5MC; selle deamineerimine annab meile T (CG ® TA). Selliseid regioone, milles on palju 5MC, nimetatakse muteerumise tulipunktideks (mutation hot spots).
Indutseeritud mutatsioonid – mutageenid .
Kiirgus (röntgen, UV) - Ioniseeriv kiirgus lõhub makromolekulide kovalentseid sidemeid , ka DNA-l ja põhjustab kromoomaalseid mutatsioone. Ioniseerival kiirgusel on kumuleeriv mõju ja see tapab rakud kõrgete dooside korral. UV (254-260 nm) põhjustab puriinide ja pürimidiinide dimeeride teket ja sellega ebanormaalseid DNA ahelaid.
Keemilised mutageenid - aluste analoogid on sarnased lämmastikalustega ja need inkorporeeritakse replikatsioonil DNAsse. Mõned neist põhjustavad vale paardumist (5-broomuratsiil).
Aluseid modifitseerivad ained: deamineerivad, hüdroksüleerivad, alküleerivad.
Interkaleerivad ained: hüdrofoobsed molekulid nagu proflaviin, etiidiumbromiid, lähevad aluste vahele ja seovad endaga replikatsioonil uue aluse (insertsioon). Kui nad aga eemaldada, siis võtavad aluse kaasa (deletsioon).
Sait-spetsiifiline in vitro mutagenees on meetod, milles mutantne alleel sünteesitakse ja viiakse rakkudesse või katseloomadesse. Inimese geenide ja mutatsioonide uurimisel oluline meetod.
DNA reparatsioon: Ensümaatilised reparatsioonisüsteemid, mis takistavad ja parandavad tekkinud mutatsioone DNA aheals. DNA polümeraasi korrektuur: 3’-5’ eksonukleaasne aktiivsus korrigeerib replikatsioonil tekkinud vead. Fotoreaktivatsioon, ensüüm fotolüaas aktiveeritakse UV toimel (320-370 nm) mis eemaldab dimeersed alused. Demetüleerivad DNA reparatsiooni ensüümid, mis parandavad alküleerimise teel tekkinud DNA muutused. Nukleotiidide eksisioonne reparatsioon: vigastatud DNA piirkond despiraliseeritakse ja eemaldatakse ning uus komplementaarne ahel sünteesitakse asemele.
Mobiilsed geneetilised elemendid ehk transponeeruvad elemendid on sellised struktuurid, mis muudavad genoomis oma kohta. Nad võivad seda teha kromosoomi sees aga ka kromosoomide vahel. Nad on normaalsed ja hulgaliselt esinevad genoomi osad nii pro- kui eukarüootidel. Prokarüootidel võib geeni element transponeeruda kromosoomist plasmiidi või faagi. Eukarüootidel siis kas kromosoomis või kromosoomide vahel.
Transposoonid inserteeruvad DNAsse, millel puudub homoloogne järjestus (toimub nn. mittehomoloogne rekombineerumine). Sellest tulenevalt põhjustavad transposoonid geneetilisi muutuseid. Sellel on oluline tähtsus genoomi evolutsioonis (ei toetu ainult mutatsioonidele): inserteeruvad geeni sisse. Inserteeruvad regulatoorsetesse järjestustesse; modifitseerivad geeni ekspressiooni. Põhjustavad kromosomaalseid mutatsioone.
Kaks suurt klassi:
Mõned kodeerivad valke viies DNA osa uuele kohale kromosoomis või siis replitseerub see DNA osa ja integreeritakse uude kohta.
Retrotransposoonid kodeerivad pöördtranskriptaasi, mis teeb RNA tarnskriptist uue DNA ja siis need integreeruvad genoomi (ainult eukarüoodil).
Prokarüootidel:

Insertsiooni elemendid (IS). Lihtsaimad transponeeeruvad elemendid bakterite kromosoomides ja plasmiidides. Kodeerivad mobiliseerimise ja inserteerumise eest vastutavaid geene. Kõik IS elemendid on inverteeritud terminaalsete kordustega(ITRs).
Lõhub kodeeriva järjestuse või regulatoorseid järjestusi. Muudab kõrvalolevate geenide ekspressiooni. Põhjustab kõrvalasuva DNA deletsiooni ja inversioone. Toimub uus ristsiire.
Originaalkoopia jääb paigale, uus inserteerub juhuslikult. IS elemendid kasutavad ära peremeesraku replikatsiooniensüüme replikatsiooni. Transponeerumine nõuab transposaasi, mille kodeerib IS element ise. Transposeerumine initseeritakse kui transposaas tunneb ära ITR-i. Moodustuvad spets. ahela otsad (staggering ends), toimub insertsioon ja DNA polümeraas ja ligaas täidab vahekoha.

Transposoonid (Tn). Sarnased IS elementidega, märksa kompleksemad ja sisaldavad rohkem geene. 2 tüüpi: komposiitsed transposoonid ja mittekomposiitsed transposoonid.
Kannavad geene, mis flankeeruvad IS elementide mõlemas otsas (antibiootikumi resistentsus). IS elemendid varustavad transposaasiga ja ITR äratundmise signaali.
Mittekomposiitsed kannavad samuti geene, aga ei termineeri IS elemendiga. Lõpevad sarnaste kordusjärjestustega.
Transponeerumine on sarnane IS elementidele; kohapeal toimub duplikatsioon. Kointegreerumine – transposooni üleminekul ühest genoomi osast (plasmiidist kromosoomi) intereerub see duplikatsiooniga mõlemas. Võib siis olla replikeeruv (duplikatsioon) või mitte (kaob originaalsaidist). Sama tüüpi mutatsioonid mis IS korral. Ristsiire esineb kui doonor DNA koos tarnsposoniga sulandub retsipiendi DNAga.

Bakterifaagid mutaatorjärjestus (Mu): Infitseerimisel Mu integreerub mittereplikeeruval transponeerumisel ja replitseerub koos E. coli paljunemisega. Lüütilises tsüklis jääb Mu E. coli kromosoomiga integreerituks ja muutub replitseeruvaks transposooniks.
Kromosomaalsed mutatsioonid on struktuursed (deletsioon, duplikatsioon, inversioon, translokatsioon ) ja kromosoomide arv (genoom mutatsioonid) - aneuploidia, monoploidia, polüploidia.
Tekkivad spontaanselt või kutsuvad esile mutageenid. Põhiline spontaansete abortide põhjustaja, samuti geneetilised sündroomid. ~50% spontaansetest abortidest põhjustatud kromosomaalsetest mutatsioonidest. Diagnoositakse tsütogeneetiliselt; sagedus umbes 6 iga1,000 elussünni kohta. ~11% meestest kellel probleeme fertiilsusega; 6% meestest vaimsete probleemide korral.
Polüteensed kromosoomid on putukatel , väga levinud kahetiibsetel sh. Drosophila). Tekivad kromatiidide duplikatsiooniga ilma rakutsüklit läbimata. Duplitseerunud homoloogid on tihedalt pakitud ja ühinevad tsentromeerses piirkonnas. Kromatiidid hästi nähtavad mikroskoobi all.
Deletsioonid: Algab kromosoomi katkemisega. Otsad liimuvad, ei ole telomeerset kaitset. Indutseeritakse temp., kiirgus, viirused, transposoonid, kemikaalid, ka rekombineerumise vead. Ei taastu ; DNA puudub. Tsütogeneetiliselt näha, ka polüteensetel kromosoomidel.
Deletsiooni efektid : Homosügoodil ühe alleeli del on ikka normaalne. Del heterosügoodil Þ normaalne või mutantne (võimaklik letaalne). Pseudodominantsus - Þ del dominantsel geenil viib retsessiivsele fenotüübile. Tsentromeeri del Þ viib tavaliselt kromosoomi kadumisele
Duplikatsioon – kromosoomi segmentide kahekordistumine. Tandem, pöördtandem ja terminaalsed tandemduplikatsioonid on põhilised 3 dupl. Tüüpi.
Geeni perekonnad on duplikatsiooni teel tekkinud:
Hemoglobiinid: a-ahela geenid ühes ja b-ahela geenid teises kromosoomis. Igas Hb geenis on mitu ORF’i; täiskasvanul ja embrüol erinevad hemoglobiinid. Sama kromosoomi Hb on sama järjestusega nii embrüol kui täiskasvanul; ilmne duplikatsioon. Ilmselt ka a ja b duplikatsiooni teel tekkinud ja siis divergeerunud.
Inversioonid: Kromosoomide segmendid pöörduvad vastupidisesse järjekorda. Kaks tüüpi: Peritsentrilised – sisaldavad tsentromeeri ja paratsentrilised – ilma tsenttromeerita. Üldiselt DNA kadu ei ole.
Translokatsioonid: Kromosoomi segmendi asukoha muutus. DNA ei kao, vaid paigutub ümber. Muutub geeni ekspressioon. Jaguneb intrakromosonaalseks ja interkromosomaalseks (retsiprookne – segmendid vahetuvad; mittevastastikune – ei ole kahepoolset vahetust). Mitmed kasvajad nagu müelogeenne leukeemia , Burkitti lümfoom.
Kromosoomide arvu varieerumine:
Organismid ühe kromosoomide , haploides või diploidsega, on euploidsed. Aneuploidia – kromosoomide arvu muutus karüotüübis. See tekib meioosi käigus.
Aneuploidia; Tavaliselt organismid aneuploidiat üle ei ela. See on pigem erand . Väga sageli spontaansetes abortides. Neli põhitüüpi:
Nullisoomia – kromosoomi paari kadu
Monosoomia – ühe homoloogia kadu
Trisoomia – üks ekstra kromosoom
Tetrasoomia – üks täiendav kromosoomi paar .
Sugukromosoomide aneuploidiat sagedamini kui autosoomidel, inaktiivne X kompenseerib; autosoomsed trisoomiad on 50% juhtudest letaalsed.
Ploidsus : Tekib kui meioosis ei ole lahknemist, või kromosoomid ei segregeeru. Loomadel letaalne. Monoploidsus loomadel äärmiselt harv, sest ekspresseerub retsessiivsus. Polüploidsus sage taimedel, sest neil iseviljastumine ; mänginud olulist rolli taimede evolutsioonis ja sordiaretuses. Paaris ja paaritud polüploidid; paaris olulisemad, sest need on viljakad; paaritud sageli steriilsed näit. Enamus seemneteta puuvilju on triploidsed.
Populatsiooni geneetika: Uurib geneetilist varieerumist indiviidide vahel populatsioonis (genofondis). Evolutsiooni geneetilise aluse väljaselgitamise põhiline instrument (kuidas geenid muutuvad põlvkondade vältel, kuidas nad satuvad populatsiooni, kuidas fikseeruvad, mis on tulemus geograafiliselt jne). Fokuseerib tavaliselt ühele või mõnele lookusele, kindlas mendeleeruvas populatsioonis (s.o. grupp omavahel ristuvaid ja ühte kindlat geenide kogumit kandvate isendite kogum). NB! Ristuvad!
Jaguneb: Empiiriline pop. geneetika - mõõdab ja hindab kvantitatiivselt geneetilist varieerumist; Teoreetiline pop. geneetika – modelleerib võimalikke geneetilisi varieerumisi (nii retro - kui prospektiivselt) arvestades erinevaid alleelide sagedusi mõjutavaid tegureid.
Populatsiooni geneetika tähtsus:
On teoreetilise matemaatilise bioloogia nurgakivi, üks parimaid näiteid teoreetilise bioloogia tähtsusest. Just populatsiooni geneetika andis aluse kaasaegsele sünteetilisele evolutsiooniteooriale, milles viidi kokku Mendeli klassikaline geneetika ja Darwini loodusliku valiku teooria (20. sajandi esimeses pooles ). Kaasajal oluline ka selektsioonis ja tõuaretuses.
Kirjeldame pop. geneetilist struktuuri järgmiselt: loetleme kindla genotüübiga isendid ja jagame selle kogu populatsiooni isendite arvuga. Teeme seda kõikide genotüüpide korral ( tuleta meelde Mendeli genotüübilist suhet). Saame genotüüpide sagedused .
Alleelide sageduste teadmine annab meile oluliselt rohkem infot kui lihtsalt genotüüpide sagedused. Saab teada kas alleelide kokkulangemisel isenite kaudu või genotüüpide sageduse kaudu.
Hardy -Weinbergeri seadus eeldab ideaalset populatsiooni:
Lõpmatult suure isendite arvuga, et ei oleks geeni triivi (geenide sageduste juhuslikke muutusi);
Juhuslikku ristumist populatsiooni isendite vahel vaadeldava tunnuse suhtes;
Puudub valiku surve ehk looduslik valik vaadeldava tunnuse suhtes;
Ei ole muteerumist (puuduvad mutatsioonid);
Puudub migratsioon nii sisse kui välja populatsioonist.
Kui need tingimused on täidetud, siis populatsioon on geneetiliselt tasakaalus põlvkondade jooksul. Alleelide sagedused ei muutu eri põlvkondades. Juhusliku ristumise tulemusena igas järgmises põlvkonnas on genotüüpide sagedused ühesuguses proportsioonis.
Kuna taolist populatsiooni looduses ei esine, siis peatakse ideaalilähedaseks populatsiooni, milles tunnust määrav alleel muteerub harva, migratsioon ja valik on väga nõrgad, alluvad HW suhetele.
Hardy-Weinbergi seadus on rakendatav kõikide nende lookuste suhtes, mis ei allu valikule; isegi juhul kui sama populatsiooni isenditel teised lookused on valikuga seotu .
Kui üks või mitu alleeli on retsessiivsed, ei ole võimalik eristada omavahel dominantseid homosügootseid ja heterosügootseid indiviide.
Pärilik varieerumine annab meile infot organismi päritolust ( vanematest ) ja tema potentsiaalist evolutsioneeruda, adapteeruda ja ellu jääda. Tänapäeval määratakse seda DNA järgi.
Parameetrid :
Polümorfism = lookuste % või nukleotiide protsent mis näitab rohkema kui ühe alleeli olemasolu;
Heterosügootsus (H) = heterosügootsete indiviidide %;
Alleelide /haplotüüpide mitmekesisus = kui palju on erinevaid alleele/haplotüüpe ühe populatsiooni sees;
Nukleotide mitmekesisus = nukleotiidide arv ja nende erinevused ühes järjestuses populatsiooni isenditel;
Geneetiline distants (kaugus) = aluste erinevused homoloogsete järjestuste vahel;
Sünonüümsed/mittesünonüümsed asendused = nukleotiidide % mis viib või ei vii aminohpete asendumisteni.
HW tasakaalu muudavad mutatsiooni, geenitriivid, populatsiooni migratsioon ning looduslik valik.
Mutatsioonid on muutus DNAs. Uute geneetiliste variantide põhiline allikas. Evolutsiooniprotsessi põhjuslik alus. Mutatsioonide sagedused on erinevad: varieeruvad nii lookuste kui ka liikide vahel. ~10-4 kuni 10-8 mutatsiooni/geeni kohta/põlvkonnas (m). Osa mutatsioonidest on neutraalsed (ei mõjuta reproduktiivset kohasust ehk fitnessi). Mõned on kahjulikud või letaalsed (efektid keskkonnast sõltuvad). Kui populatsioon on piisavalt suur, siis muatsioonide efekt väga aeglane ja evolutsiooniprotsess samuti aeglane.
Uute kasulike mutatsioonide fikseerumine võib toimuda väga kiiresti, sõltub populatsiooni suurusest ja valiku survest . Tugevalt aheldunud alleelid lähevad kaasa. Väikesed flankeeruvad järjestused kasulike alleelide kõrval on sageli liiana ja see viib omakorda ka harvade alleelide liiale aheldunud lookustes.
Geeni triiv ehk “ geneetilis -automaatsed protsessid” on alleelide sagedused, niii fikseerumine kui kadumine populatsiooni genofondist, võib toimuda täiesti juhuslikult. Geeni triiv on sarnane näiteks asutaja efektiga, ta on oluline just väikestes populatsioonides. Varieerumine suur väikeses populatsioonis ja väike suures populatsioonis. Ristumise tulem sõltub juhusest.
Efektiivne populatsiooni suurus: Mitte kõik indiviidid ei anna oma gameete järgmisele põlvkonnale. Efektiivne populatsiooni suurus ongi nende indiviidide hulk,kes seda teevad. Kui sooline suhe on võrdne ja kõikide indiviididel on võrdne tõenäosus paljunemiseks, siis Ne = N. Populatsiooni efektiivset suurust vähendavad näiteks järglaskona arvukus, populatsiooni lained või kattuvad põlvkonnad.
Populatsiooni lained: Populatsiooni suurus võib lühiajalöiselt oluliselt muutuda, samal ajal kekskmine jääb samaks. Selle tulemusena võib populatsiooni efektiivne suurus aga dramaatiliselt väheneda ( pudelikaela efekt) ja sellest johtuvalt ka alleelide sagedused järglaskonnas.
Pudelikael ja asutaja efektid: Geeni triiv tekib kuipopulatsiooni suurus on väike mitu põlvkonda järgimööda ning eriti kui subpopulatsionid on isoleeritud. Geeni triiv tekib ka asutaja efekti korral: populatsioon saab alguse väikesest arvust ristuvatest isenditest. Siin mängib just juhus suurt rolli, millised alleelid asutajatel on olnud (haplotüübid ja haruldased alleelid näiteks). Migratsioon ja geeni vool populatsiooni suurendab pop. efektiivset suurust ja vähendab geeni triivi juhuslikku toimet.
Geeni triiv muudab alleelide sagedusi täiesti juhuslikult, seepärast mõned alleelid viivakse populatsioonist välja, teised aga fikseeruvad. Fikseeruminse tõenäosus suureneb ajaga . Samas millised neist fikseeruvad on täiesti juhuslik. Harvad alleelsed variandid reeglina kaovad. Aeg, millest sõltub alleeli fiks/kadu on seotud populatsiooni efektiivse suuruse ja tegeliku alleeli sagedusega genofondis. Neutraalsete mutatsioonide sageduste alusel hinnatakse aega, mil kaks populatsiooni või liiki on lahknenud ühisest eellases.
Tasakaal mutatsioonide ja geeni triivi vahel: Mutatsioonid suurendavad, geeni triiv vähendab geneetilist varieerumist. Nii nimetatud lõpmatu alleelide mudel väidab, et mutatsioonid ja geeni triiv tasakaalustuvad kui tasakaalustub heterosügootide arv.
Mudeli eeldused: Eeldame, et mutatsioon loob uue alleeli, mida enne olnud ei ole (samas tõenäosus, et kas muatsiooni põhjustavad sama alleeli tekke on lõpmatult väike). Eeldame, et geeni triiv töötab normaalselt. Kui Ne kahekordistub ja m väheneb poole võrra siis Þ H jääb samaks. See seadusupärasus on üldiselt kehtiv, kuid mutatsioon-triiv mudel ei seleta alati kõike.
Migratsioon on geneetilises mõttes geeni vool, see tähendab– geenide liikumine ühest populatsioonist teise Sellel on kindel mõju populatsiooni genofondile. Annab võimaluse unikaalsete alleelide sisseviimiseks populatsiooni teistest populatsioonidest. Kui migrantide ja retsipient populatsiooni isendite alleelide sagedused on erinevad, siis migratsioon muudab genofondi alleelide sagedusi oluliselt.
Migratsioon suurendab populatsiooni efektiivset suurust. Takistab alleelide fikseerumist. Migratsiooni määr (m) >> mutatsiooni määra (m). On väga oluline faktor näiteks loodusliiku mitmeklesisuse või populatsioonide säilitamisel, sest looduskaitseliselt või inimtegevuse tulemusena sageli populatsioonid fragmenteeruvad ja geenide vool nende vahel katkeb. Tuleb kunstlikult migratsiooni suurendada. Suur geeni vool on alati populatsiooni piirialadel.
Looduslik valik ja adaptatsioon: Populatsioonide kasv on eksponentsiaalne ; seda piiravad ressursside puudumine (tekib olelusvõitlus indiviidide vahel). Ei ole olemas kahte ühesugust indiviidi, seepärast on populatsioonis geneetiline varieeruvus ja see võib olla suur. Varieeruvus on oluline kui ta on pärilik. Olelusvõitlusest tingitud isendite elulemus ei ole juhuslik, vaid vähemalt osaliselt tingitud isendite pärilikest omadustest ja tunnustest. Paljude põlvkondade jooksul viib see prtotsess populatsiooni muutustele ja uute liikide tekkele.
Valik retsessivse alleeli vastu: Retsessiivsed tunnused reeglina vähendavad kohasust (fitness). Järelikult valik toimib retsessiivsete homosügootide suhtes, mille tõttu nende alleelide sagedus väheneb. Samas retsessiivseid alleele ei elimineerita kunagi täielikult, sest nad esinevad ikkaedasi heterosügootidel. Seda nimetatakse ka “kaitstud polümorfismiks”. Kui heterosügoodi kohasus on suurem kui homosügootidel, siis mõlemad alleelid säiluvad eelkõige heterosügootidel, sest mõlemal alleelil on kohasuse mõttes positiivne osa (näit. Sirprakuline aneemia).
Kui alleel on väga haruldane , siis looduslik valik mõjuatb selle levikut vaid vähesel määral. Samal ajal mutatsioonid toimuvad ikka ja tekivad uued harvad alleeli variandid.
Alleelide sagedused ei muutu vaid LV toimel:

Assortatiivne ristumine : Indiviidid ei ristu juhuslikult, aga eelistavad kindlaid fenotüüpe, see muudab alleelide sagedusi. Assortatiivne ristumine võib olla nii positiivne kui negatiivne

Inbriiding: Sugulusristumine. Väikestes populatsioonides ei pea isegi eelistusi olema, lihtsalt paratamatus . Toimib alleelide sagedusele juhuslikult sarnaselt geeni triivile, kus heterosügootsus väheneb ja homosügootsus suureneb. Kõige äärmuslikum näide on iseviljastumine taimedel.
Jõud, mis suunavad evolutsiooniprotsessi (kokkuvõte):
Mutatsioonid - Esinevad madala sagedusega, põhjustavad väikeseid muutuseid ja suurendavad pärilikku varieerumist; tasakaalustatakse LV ja geenitriiviga.
Geeni triiv - Vähendab varieerumist, sest alleelid elimineeruvad. Põhjustab divergeerumist ja olulisi muutuseid just väikestes populatsioonides.
Migratsioon - Migratsiooni määr ja kiirused on väga erinevad; suurendab pop. Efektiivset suurust, vähendab divergeerumist, sest geeni vooluga väheneb geeni triiv. Põhjustab suuri muutusi alleelide sagedustes.
Looduslik valik - Nii suurendab kui ka vähendab geneetilist varieerumist (sõltub keskkonnast), samuti suurendab või vähendab divergeerumist. Toimib ka siis kui on saavutatud tasakaal (elimineerib mittesobivad genotüübid); tasakaalustab ka teisi evolutsioonilisi muutuseid põhjustavaid faktoreid.
Mitte-juhuslik ristumine - Inbriiding vähendab varieerumist ja kohasust, mõjutab ka teisi evol. protsesse, sest populatsioni efektiiivne suurus muutub.
Kui populatsioonid eralduvad (vikariaansus), siis nend populatsioonide alleelide sagedused hakkavad üha enam erinema, mis viib divergeerumisele ja uute fenotüüpide tekkele. Selliste populatsioonid või nende isendite ristumisel on tekkinud reproduktiivsed barjäärid. Seda nimetataksegi alloüpaatriliseks liigitekkeks. Hübriidid on reeglina steriilsed. Reproduktiivsed barjäärid võivad olla nii pre- kui postsügootsed.
Sümpaatriline liigiteke võib toimuda ilma isolatsioonita. Liigitake ja reproduktiivne isolatsioon seotud adaptatsiooniga ja erineva eproduktiivse ajalise jaotusega.
Kvantitatiivne geneetika: Tunnused, milliseid saab reaalselt mõõta ja milledel on populatsiooni siseselt või populatsioonide vahel tunnuse pidevus (pikkus, kaal, saagikus, kasvukirus. Selline pidevus tuleneb pärilikkuse teatud juhtudest: Tunnus määratud mitmete lookuste poolt; Pleiotroopia (üks geen – mitu tunnust); Epistaas (lookused interakteeruvad ja üks surub teise maha); Alleelide või nende kombinatsioonide erinev ekspressiivsus ja penetrantsus; Keskkond mõjutab tunnust reaktsiooni normi piires, aga fenotüübid indiviiditi erinevad.
Kvantitatiivne geneetika uurib:
Kuidas pärilikkus ja keskkond määravad tunnust?
Mitu geeni määravad tunnust ja kus nad genoomis asuvad?
Kas geenide mõju on alati ühesugune või erinev konkreetse tunnuse korral (vaata ka genoomi konflikti)
Kui geenid interakteeruvad, kas neil on additiivne efekt?
Kuidas valik mõjutab kvant . tunnust ja kas valik mõjutab ka teisi tunnuseid, millised ei ole valiku objektiks olnud?
Milliste ristumiste ja valikuga on võimalik saada soovitud fenotüüpe??
41