Rakk,kromosoom,DNA,geen (0)

Geenitehnoloogia statistilised mudelid Mõisteid, fakte ja seadusi geneetikast Iga rakk sisaldab kogu liigile omast geneetilist materjali, millest enamus on koon- I dunud raku tuuma ja on organiseerunud struktuuridesse, mida nimetatakse kromosoomideks. Kromosoom ise kujutab enesest biheeliksi (topeltspiraali) kuju- liselt keerdunud DNA molekuli. DNA (desoksüribonukleiinhape) on polünukleo- Mõisteid, fakte ja seadusi geneetikast tiidne ahel, kus nukleotiidid on moodustunud kolme ühendi ­ lämmastikaluse, suhkru (desoksüriboosi) ja fosforhappe jäägi (fosfaatrühma), omavahelisel lii- 1.1 Rakk, kromosoom, DNA tumisel. DNA ehituses esineb neli erinevat lämmastikalust: A - adeniin (adenosiin), G - guaniin (guanosiin), T - tümiin (tümidiin) ja C - tsütosiin Rakk on väikseim elus ehitusühik, mis suudab kas üksi või paljurakulise (tsütidiin). Nukleotiidide omavahelise liitumise tulemusel tekib üks DNA ahel. organismi koostisosana kasvada, areneda ja paljuneda. Kõrvaloleval joonisel on Kahe omavahel koos püsiva ahela aluseks on DNA komplementaarsusprintsiip ­ kujutatud loomaraku ehitus. Raku erinevate osade ehituse ja ülesannetega võib DNA-molekuli moodustavad nukleotiidahelad püsivad koos kindla reegli kohaselt huviline tutvuda näiteks 12. klassi bioloogia õpiku või siis mõne teatmeteose ­ ühe ahela adeniini vastas on teises ahelas alati tümiin ja guaniini vastas tsütosiin vahendusel, lühike selgitus on toodud ka ajakirja "Eesti Loodus" 2000. a. (A-T, G-C, T-A, C-G). Järelikult, teades ühe ahela nukleotiidset järjestust ehk aprillikuu numbris (vt. linki joonise 1 all) ja üksikasjalik õpetus Tartu Ülikooli primaarstruktuuri, saame määrata ka teise ahela nukleotiidse järjestuse. DNA Molekulaar - ja Rakubioloogia Instituudi rakubioloogiakursuse loengute molekuli sekundaarstruktuur moodustub vesiniksidemetega ühendatud kahe ahela konspektis, autor Rein Sikut keerdumisel biheeliksisse (vt. joonised 2a ja 2b). DNA on kromosoomide olulisim ( http://tamm.ebc.ee/~rsikut/rakubio.html ). ehitusvahend. DNA täpsus seisneb päriliku informatsiooni säilitamises ja selle täpses ülekandes raku jagunemisel.
Joonis 1. Looma raku ehitus ("Eesti Loodus" 2000. a. nr. 4 ­ http://www.loodus.ee/el/0004/rakud.html ).
Joonis 2a. DNA paiknemine ja struktuur.
http://www.eau.ee/~ktanel/kool_ja_too/geenitehn_stat_mudelid/ 1 Tanel Kaart 2 Geenitehnoloogia statistilised mudelid Mõisteid, fakte ja seadusi geneetikast Kuna geneetiline informatsioon on jaga- Inimesel on 46 kromosoomi (23 kromosoomipaari ), kogupikkusega ~1,6 meetrit, tud paljudesse DNA molekulidesse, siis mis koosnevad kokku ~ 3 miljardist nukleotiidipaarist. Lahksoolistel liikidel on tähendab see seda, et kromosoomide arv üks kromosoomipaar sugupooliti erinev ja seda nimetatakse sugukromosoomide tuumas on suurem kui üks. Kõrgematel (ehk gonosoomide) paariks, kõigis ülejäänud kromosoomipaarides on homo- organismidel (taimed, loomad) on kro- loogsed kromosoomid oma kujult ja suuruselt sarnased. mosoomide arv diploidne (rakutuumas Üksikasjalik eestikeelne õpetus kromosoomidest on üleval internetis Tartu 2n kromosoomi), mis tähendab, et iga Ülikooli Molekulaar- ja Rakubioloogia Instituudi tsütogeneetikakursuse loengute kromosoom on dubleeritud ­ esineb konspekti näol, autor Sirje Kivi kahes eksemplaris. Vaid sugurakkudes ( http://www.ebc.ee/~skivi/tsytog/tsytogeneetika.html ). on igast homoloogsete kromosoomide (paardunud kromosoomid, mis sisalda- vad samasid pärilikke tunnuseid määra- vaid geene, millest kumbki on pärit eri vanemalt) paarist ainult üks kromosoom (seega on suguraku tuumas kokku n kro- mosoomi, mida nimetatakse haploidseks kromosoomistikuks ja mis moodustavad organismi genoomi). Diploidsetes rakku- des on kaks genoomi (2n), ühe annab Joonis 2b. DNA struktuur. sügoodi (viljastunud munaraku) moodus - tumisel isas - ja teise emasrakk. Kromosoomide arv varieerub ulatuslikult eri liikidel ja seda isegi ühe organismiderühma piires. Kromosoomiarvu varieerumises ei ole tendentsi olla suurem või väiksem evolutsiooniliselt arenenumatel liikidel, st. kromosoomide arv rakus ei ole seoses organismi keerukusega (vt. näiteid tabelist 1).
Tabel 1. Diploidne kromosoomiarv erinevatel liikidel Liik 2n Liik 2n Loomad Taimed ja seened Joonis 3. Mehe kromosoomistik ­ 22 autosoomide paari (kromosoomi, mis delfiin Stenella plagiodon 44 kartul Solanum tuberosum 48 esinevad paariliselt liigi kõigil indiviididel) ja sugukromosoomid X ja Y (naistel inimene Homo sapiens 46 mänd Pinus species 24 on kaks X-kromosoomi). hobune Equus caballus 64 nisu Triticum monococcum 24 kana Gallus domesticus *78 oder Hordeum vulgare 14 karpkala Cyprinus carpio 104 põlduba Vicia faba 12 kass Felis domesticus 38 pärm Saccharomyces cerevisiae 32 kits Carpea hircus 60 tomat Lycopersicon esculentum 24 1.2 Rakkude paljunemine, mitoos , meioos, ristsiire koer Canis familiaris 78 tubakas Nicotiana tabacum 48 koduhiir Mus musculus 40 hallitusseened Aspargillus nidulans 16 Rakud paljunevad jagunemise teel, mille käigus tekib ühest lähterakust kaks lammas Ovis aries 54 Neurospora crassa 14 identset tütarrakku. On olemas kahte tüüpi raku jagunemist. Ühte tüüpi laulusääsk Culex pipiens 6 Penicillium species 8 jagunemise tulemusel moodustuvad uued rakud, mis on vajalikud organismi siga Sus domesticus 38 kasvamiseks ja igapäevaselt kahjustuste või haiguste tõttu surevate miljonite siidiliblikas Bombyx mori 56 * kromosoomiarv varieerub või pole täpselt rakkude asendamiseks. Sellist raku jagunemist nimetatakse mitoosiks. simpans Pan troglodytes 48 teada toakärbes Musca domestica 12 Teist tüüpi rakkude jagunemisel, mida nimetatakse meioosiks, tekivad sugurakud, veis Bos taurus 60 äädikakärbes Drosophila melanogaster 8 mille ühinemisel saab alguse uus elusolend.
http://www.eau.ee/~ktanel/kool_ja_too/geenitehn_stat_mudelid/ 3 Tanel Kaart 4 Geenitehnoloogia statistilised mudelid Mõisteid, fakte ja seadusi geneetikast pooltesse (joonis 7), misjärel poolduvad ka tuum ja juba eelnevalt dublitseeritud organelle kahte ossa jagades rakk ise. Meioos jagatakse kahte etappi . Esimesel meiootilisel jagunemisel replitseerunud homoloogilised kromosoomid konjugeeruvad, DNA- ahelad lõikuvad, katkevad , Joonis 5. Mitoosi- ja meioosiprotsessile vahetavad osi ja ühinevad uuesti (vt. joonis 7 ­ meioosi 1. jagunemine). Sellist eelnev kromosoomide kondenseerumine . homoloogiliste kromosoomide ema- ja isapoolsete koopiate vahelist geneetilise materjali vahetust nimetatakse ristsiirdeks e crossing -over'ks ja see on ka Nii mitoosile kui ka meioosile eelneb põhjuseks, miks järglane ei saa oma vanemate kromosoomide täpseid koopiaid . justkui mingit nööripundart meenutavate Peale konjugeerumist kromosoomid lahknevad raku tuuma erinevatele poolustele DNA- ahelate kondenseerumine kom- ja rakk jaguneb kaheks. Mõlemad tütarrakud sisaldavad ühte homoloogilist kro- paktseteks kromosoomideks (joonis 5) ja mosoomi, mis koosneb kahest tütarkromatiidist. Teisel meiootilisel jagunemisel seejärel replikatsioon , mille käigus lahknevad tütarkromatiidid analoogselt mitoosile ja kummastki diploidsest kromosoomi moodustav DNA-ahel tütarrakust tekib kaks haploidset sugurakku. kahestub ja vastavalt DNA komplemen- Peale viljastumist tungib seemnerakk munarakku, nende tuumad ühinevad, kahe- taarsusprintsiibile genereeritakse mõle- kordistades jällegi kromosoomide arvu. See üks viljastatud munarakk (sügoot) ma vana nukleotiidiahela kõrvale uus ongi uue elusolendi alguseks. Kõik teised rakud ja seeläbi ka kogu organism (vt. joonis 6). Sellisel teel tekkinud Joonis 6. Kromosoomi replikatsioon. tekivad sellest raku jagunemise teel. tütarkromatiidid jäävad esialgu teine- teisega seotuks spet- siaalse erinevatest kor- 1.3 Valkude süntees, geneetiline kood dus-DNA järjestustest ja valkudest koosneva Kromosoome moodustava DNA olulisim ülesanne on säilitada ja edasi anda infot kromosoomipiirkonna ­ valkude moodustamiseks. Valgud e proteiinid on raku olulisemad ehituskivid, tsentromeeri kaudu. See samas sünteesitakse valkude kaasabil omakorda väga paljusid muid aineid. on ka ainus piisavalt Valgud koosnevad omavahel ahelaks ühendatud sadadest või isegi tuhandetest tihedalt pakitud kro- aminohapetest. Valgu omadused ja selle paiknemiskoha rakus määrab seda mosoomi struktuur, mis moodustavate aminohapete järjestus. Erinevaid aminohappeid on seejuures vaid võimaldab kromosoome 20. Selle, mis järjekorras ja kombinatsioonides aminohapped valgu moodusta- valgusmikroskoobiga miseks haakuvad, määrab ära raku tuumas paiknevate nukleotiidide lineaarne vaadeldes eristada ja järjestus. Nukleotiidide järjestuse tõlkimine valgu aminohappeliseks järjestuseks nende struktuursete ise- toimub spetsiaalse võtme ­ geneetilise koodi ­ abil. ärasustega tutvuda. See- Geneetilise koodi kohaselt vastab ühele aminohappele kolme nukleotiidiline tõttu kujutatakse tava- järjestus (koodon). Geneetilise koodi sõnastik koosneb siis 64-st kolmetähelisest liselt ka joonistel kro- sõnast (nelja nukleotiidi kolme kaupa kombineerides saame 43 = 64), millele mosoomi koosnevana vastavad 20 erinevat aminohapet. See elu seisukohalt väga oluline sõnastik on kahest tütarkromatiidist enamuses organismides sama nn. universaalne geneetiline kood (UGK). (joonised 2a ja 8). Koodonite ja aminohapete vastavust kujutatakse tavaliselt tabelina (vt. tabel 2). Mitoosi korral järgneb Sellist seost DNA ja valkude vahel, milles vahepealse etapina osaleb ka DNA-ga kromosoomide replikat- sarnane RNA- molekul (RNA-s on T - tümiini asemel U - uratsiil ning erinevalt sioonile tütarkromatii- DNA kaksikahelalisest struktuurist koosneb RNA vaid ühest nukleotiidide dide lahknemine tütar- ahelast ) nimetatakse molekulaarbioloogia põhipostulaadiks: DNA teeb RNA ja kromosoomidena ja lii- RNA teeb valgu (esineb ka vastupidine teisendus ­ RNA -> DNA, küll aga mitte kumine raku tuuma eri Joonis 7. Meioosi ja mitoosi võrdlus. valgust RNA-ks ja seeläbi DNA-ks). http://www.eau.ee/~ktanel/kool_ja_too/geenitehn_stat_mudelid/ 5 Tanel Kaart 6 Geenitehnoloogia statistilised mudelid Mõisteid, fakte ja seadusi geneetikast simpansist on 2%). 2. nukleotiid U C A G Geene tähistatakse tavaliselt ladina tähestiku tähtedega (A, a, B, C jne.). Phe Tyr Cys U, C U Leu Ser Stop Stop A Lookus ­ geeni asukoht DNA-s (kromosoomi geneetilisel kaardil). Leu Stop Trp G Alleel ­ geeniteisend, geeni esinemisvorm; üks kahest või mitmest alternatiivsest His U, C
3. nukleotiid 1. nukleotiid C Leu Pro Arg geenivariandist, mis asuvad populatsiooni isendite homoloogiliste kromosoomide Gln A, G Ile His Ser U, C samas lookuses ja toimivad sama tunnuse kujunemisele (tekitades selle eri vorme A Ile Thr Lys Arg A või avaldumisastmeid). Diploidsel isendil ei saa kunagi olla üle kahe erineva Met Lys Arg G alleeli, ehkki alleeliseerias (erinevate geeniteisendite jadas) võib neid olla Asp U, C G Val Ala Glu Gly A kümneid. Kui üks geen esineb vaid kahel erineval kujul (2 alleeli) on tegemist Glu G dialleelsusega, kui aga alleele on rohkem, siis polüalleelsusega. Dialleelsuse kor- ral tähistatakse üht alleeli suure ja teist väikese tähega (A ja a). Tabel 2. Universaalne geneetiline kood. Lisaks aminohappeid kodeerivatele Genotüüp ­ indiviidi geneetiliste lookuste alleelne koosseis. Diploidsete koodonitele on UGK-s ka kolm stop- koodonit , millele ei vasta ühtegi aminohapet, organismide genotüübi igas geenipaaris on üks alleel saadud isalt, teine emalt. aga mida kasutatakse valgusünteesi lõpetamisel nagu punkti lause lõpus (tabelis tähistatud `Stop'). Fenotüüp ­ indiviidi avaldunud genotüüp (enamasti genotüübi ja keskkonna koosmõju tulemusel kujunenud tunnused). Isendeid, kellel on keharakkude mõlemas homoloogses kromosoomis teatud 1.4 Geen, alleel, lookus, genotüüp geenilookuses sama alleel (näiteks A ja A, B ja B, q ja q jne.), nimetatakse homo- sügootseteks ja nende genotüüpi vastavate lookuste suhtes märgitakse vastavalt Geen ­ lõik DNA-st, mis sisaldab infot ühe valgu genereerimiseks e valgu kirjel- AA, BB või qq. Kui homoloogsete kromosoomide samas lookuses on erinevad dus DNA tasandil (joonis 8). Geen võib olla määratud vaid 1000 aluspaariga, aga alleelid (genotüüp näiteks Aa), nimetatakse isendit heterosügootseks. võib sisaldada ka mitut miljonit aluspaari , seejuures ei ole geen enamasti üks kat- kematu jupp, vaid asub DNA-l mitmeks osaks tükeldatult. Inimesel on 30-40 tuhat Juhul, kui heterosügootne genotüüp (Aa) avaldub samamoodi kui homosügootne geeni. Võrdluseks: ümarussil on geene ~19000, äädikakärbsel ~13600, geneeti - genotüüp (AA), nimetatakse selliselt prevaleerivat alleeli (tunnust) dominantseks. kute poolt enimuuritud taimel, müürloogal ~25500, pärmiseenel 6000 ­ seega ei Dialleelsel juhul tähistatakse dominantset alleeli suure tähega (A). Polüalleelsuse anna geenide koguarv veel korral võib esineda ka astmeline dominantsus (A¹>A²>A³). Alleeli (tunnust), mis aimu kogu elusorganismist. avaldub vaid homosügootse genotüübi (aa) korral, nimetatakse retsessiivseks ja Miljoni aluspaari kohta on tähistatakse väikese tähega (a). Heterosügootidel võib peale dominantsuse ja inimesel 12 geeni, äädika- retsessiivsuse esineda ka veel kodominantsus ­ mõlema alleeli (tunnuse) kärbsel aga 117. Kogu inime- avaldumine, või intermediaarsus ­ tunnuse vahepealne avaldumine võrreldes se DNA-st arvatakse vaid 4- homosügootidega. 5% osalevat otseselt valkude sünteesimisel, kogu ülejää- nud osa on lihtsalt ballast (et Näide. Inimese vererühmade AB0-süsteem. äkki läheb kunagi vaja). Meditsiinilises käsitluses eristatakse 4 AB0-rühma (nn. veregruppi): 0, Erinevus kahe inimese DNA A, B ja AB. Need on määratud ühe geeni 3 alleeliga, millest 2 (A ja B) vahel on ~0,2% ­ see annab determineerivad erinevaid glükosiidseid antigeene erütrotsüütide ettekujutuse mänguruumist pinnal, 3. alleel (0) on aga funktsioonita. A- ja B-alleelid on teineteise geenide funktsioonide selgi- suhtes kodominantsed, 0-alleeli suhtes aga dominantsed . Kuus geno - tamisel inimeste omavahelise tüüpi määravad vererühmi (fenotüüpe) järgmiselt: AA ja A0 ­ grupp A, võrdlemise teel (võrdluseks: BB ja B0 ­ grupp B, AB ­ grupp AB ning 00 ­ grupp 0. inimese DNA erinevus oma kõige lähemast sugulasest Joonis 8. Geeni paiknemine kromosoomil. http://www.eau.ee/~ktanel/kool_ja_too/geenitehn_stat_mudelid/ 7 Tanel Kaart 8 Geenitehnoloogia statistilised mudelid Mõisteid, fakte ja seadusi geneetikast
1.5 Mutatsioonid ; haigusi põhjustavad geenid, suure avastused enne tulemuste realiseerimist suuremalt jaolt avalikkuse tähelepanuta. Samas on üksikute suure mõjuga nö põhigeenide leidmine aretusprotsessi mõjuga geenid ja nende otsimine intensiivistamise ja efektiivsema põllumajanduse huvides möödapääsmatu. Geenmutatsioonid on väikesed muutused Selliste, uuritavale fenotüübile märkimisväärset mõju omavate geenide asukohti DNA molekulaarsel tasemel. Nad nimetatakse kvantitatiivsete tunnuste lookusteks (ingl. quantitative trait loci ­ hõlmavad tavaliselt ühte või mõnda QTL) ja vastavas lookuses paikneva geeni mõju QTL- efektiks . nukleotiidi geeni sees ja nende Kui nüüd on teada, mida otsida, kerkib koheselt küsimus: kuidas seda teha? tulemusena võivad tekkida uued alleelid. Üldjoontes võib geenide ja fenotüübi vaheliste seoste uuringud jagada kolme Geenmutatsiooni tulemusena võib etappi. Esmasel uurimisel tuleks selgeks teha, kas vaadeldav tunnus (haigus) on häiruda mingi valgu süntees ja seeläbi ka üleüldse geneetiline ja kui suure hulga geenidega on selle potentsiaalne selle valgu poolt määratud organi talitlus avaldumine ära määratud. Järgmine samm on fikseerida, millise kromosoomi (näiteks on suhkruhaigus põhjustatud millises osas paikneb uuritavat tunnust oluliselt mõjutav (haigust põhjustav) geen. insuliini sünteesi juhtiva(te) geeni(de) Kui ka see etapp on läbitud, jääb veel üle hinnata üksiku geeni mõju suurust või muteerumisest). siis leida haigusega assotsieeruv mutatsioon . Kromosoommutatsioonid (joonis 9) seis- Kõigi nende kolme sammu läbimisel mängib olulist rolli matemaatiline statistika. nevad kromosoomide pikkuse ja kuju Vastavate meetodite tutvustamine leiabki aset järgnevais loengutes. nähtavates muutustes. Kromosoom- mutatsiooniga võib mõni kromosoo- milõik kaduma minna ( deletsioon ) või mitmekordistuda (duplikatsioon). Muu- tuda võib kromosoomisisene geenide järjestus ( inversioon ) või asukoht ( translokatsioon ). Vastavate mutatsioo- nide üheks tekkepõhjuseks võivad olla vead mitoosis või meioosis. Genoommutatsiooniks nimetatakse indi- viidi (raku) normaalse liigiomase kromosoomistiku arvulist muutust. Genoommutatsioonid tulenevad homo- loogiliste kromosoomide arvu kordsuse muutustest. Üks inimese sagedamaid ge- noommutatsioone on Downi sündroom, Joonis 9. Kromosoommutatsioonid. mille korral on inimese keharakkudes 46 kromosoomi asemel 47. Täiendav kromosoom tuleneb 21. kromosoomi kolmekordsusest. Tänapäevase geenitehnoloogia üks olulisemaid ja avalikkusele enim ettesöödetud valdkondi ongi midagi halba (haigestumist) kaasatoovate muudatuste (mutatsioonide) otsimine normaalsetest geenidest. Lisaks haigusi põhjustavate geenivormide otsimisele tegelevad geneetikud ka majanduslikult oluliste tunnuste potentsiaalset avaldumist olulisel määral mõjutavate geenide otsimisega. Ja olgugi, et selliste uuringute ühe produkti ­ geneetiliselt muundatud taimede ­ ümber on poleemikat olnud palju, jäävad need
http://www.eau.ee/~ktanel/kool_ja_too/geenitehn_stat_mudelid/ 9 Tanel Kaart 10