44
1 GENETIKA Oktatási segédanyag a Génsebész és Kertészmérnök hallgatók számára Összeállította: dr. Mara Gyöngyvér 2015, Csíkszereda

GENETIKA - emte.siculorum.roemte.siculorum.ro/~maragyongyver/Genetika/GENETIKA okt segedlet Mara.pdf · A genetika annak a biológiai információnak a tanulmányozásával foglalkozik,

  • Upload
    others

  • View
    47

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: GENETIKA - emte.siculorum.roemte.siculorum.ro/~maragyongyver/Genetika/GENETIKA okt segedlet Mara.pdf · A genetika annak a biológiai információnak a tanulmányozásával foglalkozik,

1

GENETIKA

Oktatási segédanyag a Génsebész és Kertészmérnök hallgatók számára

Összeállította: dr. Mara Gyöngyvér

2015, Csíkszereda

Page 2: GENETIKA - emte.siculorum.roemte.siculorum.ro/~maragyongyver/Genetika/GENETIKA okt segedlet Mara.pdf · A genetika annak a biológiai információnak a tanulmányozásával foglalkozik,

2

1. BEVEZETÉS A GENETIKÁBA A XXI. SZÁZADI ISMERETEK TÜKRÉBEN

1.1. A genetika tágya

A genetika az öröklődés tudománya, amely a görög genno (nemzeni, életet adni) jelentésű szóból

származik. A genetika annak a biológiai információnak a tanulmányozásával foglalkozik, amelyet az élő

szervezetek a legegszerűbb baktériumoktól a többsejtű szervezetekig: tárolnak, megkettőznek,

továbbadnak és felhasználnak azaz kifejezik a növekedési, szaporodási és túlélési folyamatok során. Egy

élőlényen belül, a genetikai információt kromoszómák hordozzák, ahol ez az információ a DNS-ben van

kódolva. A gének kódolják azt az információt, mely a fehérjék szintéziséhez szükséges.

1.2. A DNS, a genetikai információ alapmolekulája

Az evolúció eredményeképpen, körülbelül 4 milliárd évvel ezelőtt alakultak ki azon folyamatok amelyek

alkalmasak a biológiai információ a tárolására, replikációjára, génkifejeződésére valamint a

változatosság kialakulására. A lineáris DNS (dezoxiribonunkeinsav) molekula a biológiai információ

hordozó molekula, amelynek szekvenciáját G, C, A, T jelöljük. A jelölés a G (guanin), C (citozin), A

(adenin) és T (timin) nitrogén bázisoktól származik, amelyek a DNS szerkezetében található nukleotidok

építőkövei (1.ábra).

1.ábra. A DNS építőkövei a nukleotidok (foszfát csoport, cukor és nitrogénbázis)

6,7 dia

8,9 dia

Page 3: GENETIKA - emte.siculorum.roemte.siculorum.ro/~maragyongyver/Genetika/GENETIKA okt segedlet Mara.pdf · A genetika annak a biológiai információnak a tanulmányozásával foglalkozik,

3

A DNS molekula gerincét a foszfodiészter kötések eredményeként egy váltakozó cukor-foszfát molekula

lánc alkotja, melyben a dezoxiribóz 5’ és 3’ C atomjai vesznek részt (lásd 2 ábra, a DNS lánc

irányítottsága). Tehát az egyik szálon a dezoxiribóz 5’ C atomján lévő foszfát csoport (-PO4-) áll szabadon

(nem kapcsolódik hozzá dezoxiribóz), a másik szálon pedig a pentóz 3’ C atomján lévő hidroxil (-OH)

csoport szabad (nem kapcsolódik hozzá foszfát). A két szál eltérő irányultságát, eltérő orientációjú

nyilakkal szokták ábrázolni.

A DNS molekula kettős hélix szerkezetét a két egymással ellentétesen párhuzamos (antiparalell) gerinc

alkotja, amely kialakulása az adenin-timin és a guanin-citozin komplementaritásnak köszönhető.

Ezek a komplementer nitrogénbázisok hidrogén kötéssel kapcsolódnak egymáshoz, úgy hogy az adenin

és timin között két hidrogén kötés, míg a guanin és citozin között három hidrogén kötés alakul ki.

2.ábra. A DNS kettős hélix szerkezete

A DNS-ben kódolt szakaszokat, amelyek fehérjék kialakulásáért felelősek azokat géneknek nevezzük.

A DNS az élő szervezetekben, a sejtekben kromoszómának nevezett struktúrába csomagolva található

meg az élő szervezetben, amelyek lehetővé teszik a DNS tárolását, megkettőződését, kifejeződését és

evolúcióját egyaránt. Egy élő szervezet sejtében található kromoszómák összessége a szervezet

genomját alkotja. Például az ember esetében 23 pár (24 különböző) kromoszómát különböztethetünk

meg amely megközelítőleg 3*109 bázispár információt tartalmaz és körülbelül 20-30.000 gént.

1.3. Fehérjék, az életfolyamatok funkcionális molekulái

10,11 dia

Page 4: GENETIKA - emte.siculorum.roemte.siculorum.ro/~maragyongyver/Genetika/GENETIKA okt segedlet Mara.pdf · A genetika annak a biológiai információnak a tanulmányozásával foglalkozik,

4

Az élő szervezetek az idő folyamán a fizika, kémia és a genetikai információ következtében képesek

például a szaporodásra. Ugyanakkor sok élő szervezet olyan struktúrák kialakítására is képes, amelyek

idővel jelentős változáson mennek keresztül, gondoljunk a metamorfózisra, amikor egy rovarlárva

imágóvá alakul. Egy másik sajátosság, amely az élő szervezetekre jellemző a mozgásképesség, amelynek

köszönhetően az állatok képesek aktív helyzetváltoztató mozgásra (úszás, repülés, szaladás) míg a

növények helyváltoztató mozgásra. Sőt, az élőlények a környezethez való alkalmazkodás képességével is

rendelkeznek, valamint a környezettel anyag és energiacserét folytatnak. Az anyag és energiacsere

eredménye, hogy képesek növekedni és fejlődni, hiszen a szervezetbe bejutott molekulákat beépítik a

szervezetükbe. Azokat a kémiai és fizikai reakciókat, amelyek ezeket az átalakulásokat lehetővé teszik,

metabolizmusként ismerjük.

Az élő szervezetek előbb felsorolt tulajdonságai mind a fehérjéknek köszönhetőek (pl. a mozgás: aktin és

miozin). A fehérjék nagy polimer molekulák, amelyek több száz és ezer aminosav alegységből épülnek fel

és hosszú láncot alkotnak, amelyek felcsavarodva egy specifikus háromdimenziós struktúrát alakítanak

ki. A háromdimenziós fehérjeszerkezetek adják a fehérjék funkcionális diverzitását (transzport fehérje,

összehúzó fehérje, enzimatikus fehérje stb.) amely az élő szervezetek komplex működését és

alkalmazkodóképességét teszik lehetővé. Például a hemoglobin (transzport fehérje) struktúrája és

formája teszi lehetővé azt a funkciót, amelyet ellát: az oxigén szállítását és szövetekhez juttatását. Az

aktin és miozin összehúzó fehérjék szerkezetüknek köszönhetően elcsúsznak egymás felületén így az

izmok összehúzódását eredményezik. A kimotripszin és az elasztáz enzimek más fehérjék bontását

eredményezik. Tehát a legtöbb életfolyamatot meghatározó tulajdonság a fehérjéknek köszönhető,

amelyeket a szervezet a DNS-ben tárolt információ alapján szintetizál.

A fehérjéket 20 különböző aminosav alkotja. A DNS-ben található információ, a genetikai kódnak a

segítségével meghatározza a fehérje lánc aminosav szekvenciáját. A genetikai kód egy olyan szótár,

amely segítségével a DNS-ben kódolt nukleotid sorrend átíródik aminosav sorrendé. A kód tehát azt

határozza meg, hogy a DNS vagy RNS láncában egymás után következő nukleotid-hármasok alapján

milyen sorrendben épülnek be az aminosavak a fehérjébe annak szintézise során. A nukleotidok

hármasával (triplet) egy kodont adnak, és egy kodon egy aminosavat határoz meg. A tripleteknek

megfelelő aminosavak a genetikai kódszótárban lelhetők fel.

1.4. Molekuláris egységesség és hasonlóság az élővilágban

• DNS, RNS

A nukleinsavak építőkövei nagyon hasonlóak, hiszen mind a DNS (dezoxiribonukleinsav) mind pedig az

RNS (ribonukleinsav) szerkezetét egy pentóz cukor képezi, négy nitrogénbázis és a pentóz cukrokat

foszfát köti össze (foszfodiészter kötés). A nitrogénbázisok tekintetében a DNS és RNS szerkezete között

az a különbség, hogy a T (timin) helyett U (uracil) található az RNS-ben. Az RNS a DNS-hez hasonló

módon tárolás, megkettőződés, mutáció és információ kifejezés képességével is rendelkezik, míg a

fehérjékhez hasonló módon képes háromdimenziós molekulákat kialakítani és katalitikus folyamatokban

résztvenni.

13,14 dia

Page 5: GENETIKA - emte.siculorum.roemte.siculorum.ro/~maragyongyver/Genetika/GENETIKA okt segedlet Mara.pdf · A genetika annak a biológiai információnak a tanulmányozásával foglalkozik,

5

• Genetikai kód univerzális

Az élő szervezetek közös ősi eredetét alátámasztó tények a DNS szekvenciájukban vannak. Minden élő

szervezet ugyanazt a genetikai kódot (vannak kis eltérések) használják a DNS-ben kódolt információ

fehérjékké való átírásánál. A négy nukleotid hármassával kombinálva (triplet) egy kodont alkot amely a

genetikai kódszótárban egy aminosavnak felel meg. Az összesen 64 lehetséges triplet (3 stop kodon)

határozza meg a fehérjék szerkezetét alkotó 20 aminosavat.

• Gének hasonlósága

Az élő szervezetek közötti rokonsági kapcsolatot a különböző fajok hasonló funkciójú génjeinek

vizsgálata is bizonyítja. Nagy a hasonlóság például a baktériumok, élesztőgombák, férgek, legyek, egér és

az ember egyes fehérjéit meghatározó génjei között. Ilyen például a mitokondrium Citokróm C fehérjéjét

meghatározó gén, amely fehérje a mitokondrium által végzett sejtszintű élettani folyamatban a

sejtlégzésben játszik szerepet.

Sőt, még azt is megfigyelték, hogy egy adott fajtól származó gének funkcionálisak lehetnek egy más faj

szervezetében. Például a humán sejtosztódás szabályozásában szereppel bíró gének jól működtek az

élesztősejtekben, lehetővé téve a sejtosztódást.

1.5. Modern genetikai technikák

1.5.1. Génszekvencia meghatározás

Számos esetben szükséges a DNS-molekula bázissorrendjének meghatározása (DNS-szekvenálás). A

szekvenálásnak két módszerét használják: a Sanger féle módszert és az automatizált módszert.

A láncterminációs DNS-szekvenálás vagy Sanger módszer:

Az eljárás során a szekvenálni kívánt kettőszálú DNS szálait magas hőmérsékleten denaturálják, majd a

szétváló szálak közül az egyikhez az 5’-irányba leolvasni kívánt szakasz elé komplementer, rövid egyszálú

DNS-szálat (primert v. oligonukleotidot) párosítanak. Ezután négy párhuzamos szekvenáló reakciót

állítanak össze. Minden reakcióelegybe kerül templát DNS és szekvenáló primer, polimeráz enzim és

azonos mennyiségben négyféle dezoxinukleotid-trifoszfát (dNTP). A négy párhuzamos reakció

mindegyikéhez négy különféle didezoxinukleotid-trifoszfát (ddNTP) molekula közül egyfélét kevernek. A

ddNTP-k ribóz gyűrűjének –szemben a dNTP-molekulákkal – 3’-szénatomjához az -OH csoport helyett -H

atom kapcsolódik, ezért nem tud foszfodiészter kötést kialakítani.

Például, ha ddATP-t (didezoxiadenin-trifoszfát) adunk a reakcióelegyhez, a következő folyamat megy

végbe: a polimeráz enzim a primer 3’-végétől indulva megkezdi a komplementer DNS-szál szintézisét,

felhasználva egyaránt a dNTP- és ddATP-molekulákat. A leolvasni kívánt DNS-szakaszban található timin

bázisokkal szemben (amelyek komplementere az adenin) a szintetizálódó új szálba dATP vagy ddATP

épülhet be (a két nukleotid koncentrációjának arányától függő valószínűségekkel). Amennyiben dATP

épül be, a szálszintézis folytatódik; viszont ha ddATP épül be, az új szál szintézise leáll a reaktív 3’-OH-

csoport hiánya miatt. A reakció során tehát különböző hosszúságú új DNS-szakaszok keletkeznek,

amelyek hossza tükrözi a timin bázisok távolságát illetve pozícióját a primer 5’ végétől. A ddGTP-vel,

15,16 dia

Page 6: GENETIKA - emte.siculorum.roemte.siculorum.ro/~maragyongyver/Genetika/GENETIKA okt segedlet Mara.pdf · A genetika annak a biológiai információnak a tanulmányozásával foglalkozik,

6

ddCTP-vel illetve ddTTP-vel végzett párhuzamos reakciók esetében a szintetizált szálak hossza rendre a

citozin, guanin és adenin bázisok pozíciójától függ (3 ábra).

A négy különböző szekvenáló reakció során keletkező új DNS-láncokat méret szerint poliakrilamid gélen

választjuk el. A DNS láncok méreteinek ismeretében a templát DNS-szál bázissorrendjét meg lehet

határozni. A poliakrilamid gélelektroforézis az agaróz gélektroforézishez hasonlóan szintén a negatív

töltéssel rendelkező DNS-molekulák elektromos térben zajló, az anód felé irányuló vándorlását használja

ki.

3.ábra. Sanger féle szekvenálási eljárás

Automatizált szekvenálás:

Az automatizált szekvenálás során a szekvenáló reakcióhoz használt ddNTP molekulákhoz fluoreszcens

festéket kapcsolnak. A fluoreszcens festékek (fluorofórok), amennyiben a festékre jellemző megfelelő

hullámhosszú fénnyel kerülnek megvilágításra, gerjesztett állapotba kerülnek, majd visszatérve

alapállapotba fényt bocsátanak ki. A négy különböző ddNTP-hez négy egymástól különböző fluorofórt

kapcsolnak.

E módszer feleslegessé teszi, hogy négy párhuzamos szekvenáló reakciót kelljen futtatnunk. A mintákhoz

egyszerre adják hozzá a négy jelölt ddNTP-molekulát. A polimeráz reakció lezajlása után a mintát egy gél

zsebbe töltik. A gélelektroforézis után a gélt olyan leolvasóba teszik, mely képes mind a négy fluorofór

Page 7: GENETIKA - emte.siculorum.roemte.siculorum.ro/~maragyongyver/Genetika/GENETIKA okt segedlet Mara.pdf · A genetika annak a biológiai információnak a tanulmányozásával foglalkozik,

7

különálló detektálására. A gél aljától a teteje felé haladva a templát DNS-szál bázissorrendje

meghatározható annak ismeretében, hogy az adott csíkban mely fluorofórt detektáltuk.

A fluoreszcens ddNTP-k használata lehetővé tette a szekvenálás folyamatának teljes automatizálását. A

szekvenálási reakcióban létrejövő DNS-láncokat kapilláris gélelektroforézissel választják el. A futtatni

kívánt mintát a kapillárisba töltik, majd a kapilláris végeire elektromos feszültséget kapcsolnak, így a DNS

az anód felé fog vándorolni. A vándorlás közben érvényesül a gélmátrix szűrőhatása, így a kisméretű

molekulák haladnak a leggyorsabban. A kapilláris anód felőli végén folyamatosan történik a négyféle

dideoxinukleotidhoz kötött fluoreszcencia-jel detektálása, amelyet számítógép rögzít. A folyamatos

detektálás eredménye egy kromatogram lesz, melyen időben láthatjuk, hogy adott időpillanatban mely

fluorofór haladt át a detektor előtt, így meghatározhatjuk a templát DNS szekvenciáját (4 ábra).

4. ábra. Automatizált szekvenlási eljárás

1.5.2. DNS chip technika

A DNS chip egy nagyon új molekuláris technika, amely során a funkcionális genomikában génexpressziós

változásokat, vagy akár a teljes genomot átfogó genetikai különbségeket lehet a módszerrel analizálni.

A DNS chip egy kisméretű szilárd hordozó, amely a felületén rögzített DNS mintákat tartalmaz, amelyek

20-5000 nukleotid hosszúságúak. A DNS chip egy fajra jellemző (pl. ember) DNS mintákat tartalmaz,

amelyek az adott fajra jellemző géneknek megfelelő oligonukleotidokból áll. A DNS chipre a vizsgálni

kívánt mintát rájuttatjuk, és a DNS-DNS hibridizáció elvén a komplementer szakaszok

összekapcsolódnak. A fluoreszcensen jelölt mintát majd mikroszkóp segítségével detektáljuk.

A DNS chip technika használható tehát expressziós összehasonlító vizsgálatra, ami fontos lehet a

rákkutatásban. Ha meg akarjuk ismerni, hogy milyen gének működnek egy szervezetben, akkor a

Page 8: GENETIKA - emte.siculorum.roemte.siculorum.ro/~maragyongyver/Genetika/GENETIKA okt segedlet Mara.pdf · A genetika annak a biológiai információnak a tanulmányozásával foglalkozik,

8

génekről átírt mRNS-t kell vizsgálni. Az mRNS-ről laboratóriumi körülmények között újra DNS írható, az

így keletkezett DNS szakaszokat cDNS-nek (komplementer DNS) nevezzük. Normál illetve rákos sejtekből

izolált mRNS-ekről két eltérő színű fluoreszcens jelöléssel cDNS-eket szintetizálnak. A DNS-chipen a

humán génekre specifikus DNS szakaszok találhatók. Ha a két mintát összekeverés után hozzáadjuk egy

DNS-chiphez, a mindkét mintában jelenlevő cDNS a két szín keverékeként (piros és zöld mintajelölés

esetén sárga) detektálható, ráadásul kvantitatív módon. A vizsgálatból kiderül, hogy az adott rákos

mintában milyen gének fejeződnek ki nagyobb mértékben mint az egészséges sejtekben.

5. ábra. DNS chip használata expressziós összehasonlító vizsgálatra

Page 9: GENETIKA - emte.siculorum.roemte.siculorum.ro/~maragyongyver/Genetika/GENETIKA okt segedlet Mara.pdf · A genetika annak a biológiai információnak a tanulmányozásával foglalkozik,

9

2. GENETIKAI ALAPELVEK: HOGYAN ÖRÖKLŐDNEK A TULAJDONSÁGOK

2.1. Mendel kísérletének alapjai

Gregor Mendel jól választotta meg a felvetett problémához a kísérleti organizmust, hiszen a borsó

önbeporzó növény és így ő irányíthatta a keresztezési kísérleteit.

Emellett a borsó tulajdonságainak kiválasztásában is szerencsés volt. Hét tulajdonságpár öröklődését

kísérte figyelemmel, és később kiderült, hogy mind a hét tulajdonság génje más-más kromoszómán

helyezkedett el. Kísérleteihez 22 borsófajtát használt, amelyek tehát a következő hét jól elkülöníthető

alternatív változatokkal rendelkeztek: sárga vagy zöld magszín, gömbölyű vagy ráncos mag, zöld vagy

sárga hüvelytermés, hosszú vagy rövid szár, a tengelyen egyesével sorakozó vagy a szár csúcsán

csoportosuló virágok, sima vagy rücskös hüvelytermés, lila vagy fehér virágszín.

Mendel a kísérleteinél homozigóta szülőkből indult ki. A homozigóta szülőkhöz a következőképpen

jutott: a kiindulási egyedek utódait nemzedékről nemzedékre önbeporzással beltenyésztette. Ha egy

adott tulajdonságra (például a magalakra) nézve mindig csupán a szülőkre hasonlító utódot kapott,

akkor ezek homozigóták voltak. Így állított elő biztosan homozigóta gömbölyű, illetve ráncos magvú

borsónövényeket, ún. tiszta származéksorokat.

Kísérletei során nagy mintaszámmal dolgozott és matematikailag értelmezte az adatait.

2.2. Monohibrid keresztezés

Mendel olyan borsónövényeket keresztezett amelyek különböző tulajdonságokkal bírtak, pl. fehér és

lilavirágú borsó növényeket, zöld és sárga magvúakat, valamint rücskös és sima maghéjú növényeket. A

keresztezések során vizsgálta a tulajdonságoknak az öröklésmenetét, legalább három generáción

keresztül. A szülői generciót P betűvel (P-parentes) míg az utódnemzedéket F1, F2, betűvel (F-filio)

jelölte.

Amikor a lila és fehér virágú borsónövény öröklésmenetét vizsgálta Mendel arra lett figyelmes, hogy a

lila és fehérvirágú szülői generáció keresztezéséből az F1-ben mind lila virágú utódok jöttek létre, majd a

fehér virágszín az F2-ben jelent meg újra. Ebből rájött arra, hogy a fehér virágszínért felelős örökítő

tényező nem tűnt el az F1-ben, csak nem nyilvánult meg, azaz recesszív tulajdonságváltozat. Az F2-ben

megfigyelt jellegek aránya 3 (lila):1 (fehér) volt. Mendel hasonló öröklődésmenetet figyelt meg hat más

tulajdonságváltozat esetében, és ezen megfigyelések alapján több következtetést is megfogalmazott.

Mendel következtetéseit az alábbiakban foglaljuk össze:

6,7 dia

9-15 dia

Page 10: GENETIKA - emte.siculorum.roemte.siculorum.ro/~maragyongyver/Genetika/GENETIKA okt segedlet Mara.pdf · A genetika annak a biológiai információnak a tanulmányozásával foglalkozik,

10

• Az öröklés egysége a gén. Egy bizonyos tulajdonságot örökítő gén (pl. virág színe) két

változatban található meg egy génhelyen, ezt nevezzük allélpárnak. Az allélok tehát a gének

tulajdonságváltozatai.

• Ha a két tulajdonságváltozat különbözik, akkor azt a tulajdonságváltozatot amely megnyilvánul

dominánsnak (P – lila), azt amelyik csak heterozigóta formába nyilvánul meg recesszívnek (p –

fehér) nevezzük.

• Minden tulajdonság két változata található meg az élő szervezetekben, és egy egyed mindkét

szülőtől örököl egy génváltozatot. A génváltozatok tehát az ivarsejtekben (gamétákban)

szétválnak, és ezek véletlenszerűen egyesülnek, hiszen a meiozis során az ivarsejtekbe a

homológ kromoszómák közül mindig csak az egyik kerül be. Ezt Gregor Mendel a

gamétatisztaság előfeltételének nevezte. Az allélok szegregációja véletlenszerű esemény. Tehát

amikor egy Pp heterozigóta egyed gamétákat hoz létre akkor 50% esély van arra, hogy a

petesejtbe a P allél kerüljön.

Mai ismeretek tükrében a borsónövény magas és törpe növését, a borsó maghéjának rücskös és sima

tulajdonságváltozatait illetve a cisztás fibrózis betegség kialakulását tudjuk, hogy a génváltozatok által

meghatározott különböző fehérjék alakítják ki.

Mendel nagyszámú keresztezést végzett homozigóta magas és törpe növények között (szülői nemzedék,

P). A két növény közötti különbség oka egy növekedési hormon megléte vagy hiánya, amelynek

képződését egy gén irányítja.

A borsó maghéját meghatározó tulajdonságváltozatok közül az R allél (génváltozat) esetében egy olyan

fehérje szintetizálódik amely a keményítőt elágazó láncúvá alakítja, így a maghéj sima lesz. A r allél

esetében az enzim egy inaktív formája keletkezik, amely következtében a felhalmozott keményítő

lineáris marad, míg a maghéj összeszáradását (rücskösödését) eredményezi.

A cisztás fibrózis betegség esetében a normal CFTR fehérje a Cl ionok membránon való átjutását teszi

lehetővé. Egy kis változás a génben amely a CFTR fehérjét kódolja egy megváltozott fehérjét

eredményez, amely nem teszi lehetővé a Cl ionok membránon való áthaladását, így a cisztás fibrózis

betegség kialakulását eredményezi.

2.3. Dihibrid keresztezés

Mi történik akkor, amikor két tulajdonság együttes öröklődését vizsgáljuk? Mendel a borsónövény

maghéjának színét (sárga – domináns, zöld – recesszív) és formáját (sima – domináns, rücskös –

recesszív) vizsgálta. Megfigyelte, hogy a két tulajdonság együttes öröklődésére is vonatkozik az

uniformitás és a szegregáció szabálya. A tulajdonságok az F2-ben újszerűen kombinálódtak: sárga

rücskös és zöld sima magvú borsók is megjelentek. A Mendel által megfigyelt fenotípusos hasadási

arány: 9:3:3:1 volt, azaz 9 sárga sima héjú (mindkét tulajdonság domináns), 3 sárga rücskös (egyik

tulajdonság domináns), 3 zöld rücskös és 1 zöld rücskös (mindkét tulajdonság recesszív).

16-18 dia

Page 11: GENETIKA - emte.siculorum.roemte.siculorum.ro/~maragyongyver/Genetika/GENETIKA okt segedlet Mara.pdf · A genetika annak a biológiai információnak a tanulmányozásával foglalkozik,

11

Mendel, miután borsón végzett genetikai kísérletei statisztikailag értékelhető eredményeket adtak,

megalkotta három alapvető törvényét. Az uniformitás törvénye kimondja, hogy ha homozigóta (AA, aa)

szülőket keresztezünk, az utódnemzedék (F1) összes tagja genotípusában és fenotípusában is egyforma.

A hasadás törvénye szerint, ha homozigóta szülőket keresztezünk, az első utódnemzedékben a szülői

tulajdonságok nem módosulnak, hanem a domináns megnyílvánul, és az F2 nemzedékben változatlanul

megjelennek. Tehát a tulajdonságok az F2-ben szétválnak. A független öröklődés törvénye, amelyben

Mendel azt állítja, hogy a különböző tulajdonságok egymástól függetlenül öröklődnek. Ez azonban csak

akkor igaz, ha a vizsgált tulajdonságokat meghatározó gének nem ugyanazon a kromoszómán, egymás

közelében vannak, akkor ugyanis kapcsoltságról, kapcsolt öröklődésről beszélünk, mert ezek jellemzően

együtt öröklődnek tovább.

2.4. Mendeli öröklődés az embernél

Az emberi tulajdonságok nagyrésze nem egyszerű Mendeli öröklésmenetet követ. Tegyül fel, hogy egy

gyerek annak ellenére, hogy szülei kék szeműek, barna szemmel születik. Mivel a kék recesszív a barna

szemszín változattal szemben, akkor ez azt jelenthetné, hogy a gyereknek az édesapja vagy nem igazi

édesapja vagy hogy a szülök csak örökbefogadó szülők. Igen ám, de a szemszín kialakításában nem

egyetlen gén vesz részt, hanem több gén kölcsönhatásának eredménye, tehát a kék szemű szülőknek

születhet barna szemű gyereke.

Sőt, az egygénes tulajdonságok az embernél általában olyan fehérjéket kódolnak, amelyek a szervezet

elváltozását okozzák, illetve az életet veszélyeztetik. Ilyenek egygénes tulajdonságok például a

progresszív szellemi leépülés és más idegrendszeri betegségek mint például a Huntington kór, illetve a

cisztás fibrózis betegség (amely esetében a tüdő eltömődik illetve más légzési nehézségek léphetnek fel).

Például 2009-ben 4300 egygénes humán tulajdonságot ismertek, de ezen tulajdonságok felfedezésének

következtében a szám folyamatosan növekszik.

21-23 dia

Page 12: GENETIKA - emte.siculorum.roemte.siculorum.ro/~maragyongyver/Genetika/GENETIKA okt segedlet Mara.pdf · A genetika annak a biológiai információnak a tanulmányozásával foglalkozik,

12

3. MENDELI TÖRVÉNYSZERŰSÉGEK KITERJESZTÉSE

3.1. Egygénes öröklésmenet: allélkölcsönhatások

Mendel a tanulmányozott növény kiválasztásakor nagyon szerencsés volt, hiszen olyan tulajdonságokat

tanulmányozott amelyeket egyetlen gén határozott meg és minden génnek két változata (allélja) volt

amelyek közül az egyik domináns, a másik recesszív volt. De ezek a körülmények nem vonatkoznak

minden öröklődő tulajdonságra, még a borsónövény esetében sem. A genotípus és fenotípus közötti

kapcsolat viszont bármilyen komplex öröklésmenetre is alkalmazható.

A génváltozatok között többféle kölcsönhatástípus figyelhető meg, nem csak domináns-recesszív.

Vannak olyan esetek, amikor két vagy több allélpár hatásában befolyásolja egymást.

Domináns és recesszív tipusú kölcsönhatás: ilyen esetben a genotípus heterozigóta (Aa, Bb) azaz

tartalmazza a gén két változatát (domináns, recesszív) és a heterozigóta valamint a domináns

homozigóta fenotípusa nem különíthető el.

Nem teljes dominancia (intermedier öröklődés) esetében a heterozigóta mind fenotípusában mind pedig

genotípusát tekintve különbözik a homozigóta egyedektől. A két tulajdonságváltozat között olyan

kölcsönhatás alakul ki, amely a két tulajdonság köztes fenotípusát alakítja ki. Pl. a fehér és piros

oroszlánszáj virágok keresztezéséből az F1-ben rózsaszín virágú egyedek fejlődtek ki. A második

generációban (F2) viszont a tulajdonságok szétváltak, megfigyelhetőek mind a szülői mind pedig a

heterozigóta rózsaszín virágszínek.

A virág színének kialakulásáért felelős A allélváltozat egy piros pigmentet termelő enzimet kódol, ha a

gén mindkét tulajdonságváltozata AA akkor a virágban elegendő enzim termelődik ahhoz, hogz a virág

színe piros legyen, míg a heterozigóta rózsaszín virágok esetében (Aa) az enzim mennyisége fele, ezért a

virág színe halványabb lesz.

Hasonló öröklésmenetet követ a hiperkoleszterinémia, amely esetben a H allélváltozat sejtmembránba

ágyazott koleszterin receptort kódolja, amely a koleszterin sejtben történő hasznosítását szolgálja. A h

allélváltozat nem kódol koleszterin receptort, így a heterozigóta egyedek (Hh) közepesen erős

megbetegedést mutatnak, míg a homozigóta recesszív egyedek (hh) betegek.

Kodomináns allélok: ebben az esetben mindkét allélváltozat megnyílvánul és a kettő közösen alakítja ki a

heterozigóta egyed fenotípusát. Egyik példája a vércsoport öröklődés, ahol az AB vércsoport mint

fenotípus úgy jön létre, hogy mind az A mind a B vércsoportra jellemző tulajdonságváltozat között

kodomináns kölcsönhatás van.

Letális allélok: vannak olyan recesszív allélok, amelyek heterozigóta formában letálisak.

Többallélos öröklődés: a vércsoport öröklése. Az emberek fenotípus szerint e rendszer alapján 4

vércsoport valamelyikébe tartoznak. Ezek a csoportok: A, B, AB, 0. Az A és B betűk valójában két antigént

jelölnek, az 0-s vércsoportú embereknek ezek egyike sem található meg a vörösvértesteken. Ezeknek az

antigéneknek a kialakulásáért egy gén felel. Mivel a génnek három változata létezik (A, B, 0) és ezek

3-10 dia

Page 13: GENETIKA - emte.siculorum.roemte.siculorum.ro/~maragyongyver/Genetika/GENETIKA okt segedlet Mara.pdf · A genetika annak a biológiai információnak a tanulmányozásával foglalkozik,

13

kodominánsan (A, B) illetre domináns-recesszív (A és B a O-fölött domináns) öröklődnek, az emberek

genotípus szerint 6 csoportot alkotnak (hiszen a sorrend mindegy, azaz az A0 és a 0A nem külön eset).

A-s fenotípus lehetséges genotípusai: AA, A0

B-s fenotípus lehetséges genotípusai: BB, B0

AB-s fenotípus lehetséges genotípusai: AB

0-s fenotípus lehetséges genotípusai: 00

A véradási szabály szerint senki nem kaphat olyan vért, amiben számára idegen antigén található,

ugyanis azok antitestjei megtalálhatóak az ő vérében (azaz egy A-s ember vérében a B antigén antitestjei

jelen vannak).

3.2. Mutáció: új allélok forrása

Hogyan alakulnak ki a tulajdonságváltozatok (allélok) egy tulajdonság esetében? Az új allélok

megjelenése a genetikia információ (anyag) véltoyásában keresendő, azaz a MUTÁCIÓ eredménye,

amelyek spontán jelennek meg a természetben. Mihelyt a mutációk megjelennek a gemétaképző

sejtekben, a nagy valószínűséggel tovább örökítődnek. Mutációt tartalmazó gaméta előfordulási

gyakorisága: 1:10.000 és 1:1.000.000 között változik.

Annak köszönhetően, hogy minden egyed egy gén két változatát tartalmazza, egy populációban ki lehet

számolni egy tulajdonságváltozat előfordulási gyakoriságát. Azt a tulajdonságváltozatot (allélt) amelynek

az allélgyakorisága nagyobb, vad típusnak nevezzük és általában egy + jellel jelöljük. A ritka allélt az adott

populációban mutáns allélnak tekintjük. A házi egér esetében a szőr színt a sötét szürke (A) allél

határoyya meg amely egy monomorf gén. A kutatók a sötétszürke vad allélváltozat 14 mutáns formáját

írták le.

Más géneknek ettől eltérő módon több génváltozata is ismert, mint például a az ember esetében a négy

vércsoportot meghatározó három tulajdonságváltozat (IA, IB, i), amely mindhárom elterjedt a

populációkban.

Egy olyan mechanizmust amely a különféle tulajdonságváltozatok megjelenésének (polimorf gének)

kedvez a paradicsomféléknél és petúniáknál figyeltek meg. Az önmegporzás ellen valamint a

keresztbeporzást elősegítendő kialakult egy inkompatibilitási gén, amelynek tulajdonágváltozatai

meghatározzák egy pollen elfogadását. Ha a bibére nem megfelelő allélt tartalmazó pollenszemcse kerül,

akkor a pollenszemcse nem hajt pollentömlőt és nem történik meg a megporzás (S1 allél, lásd ppt).

Egyes növényfajoknál amelyek hasonló szaporodási rendszerrel rendelkeznek a kutatók az

inkompatibilitás gén 92 tulajdonságváltozatát is megtalálták. Mivel ez az inkimpatibilitási rendszer

kedvez az új mutánsok kialakulásának, ezért ez a példa extrámnek számít a többallélos öröklődás

tekintetében.

3.3. Többtényezős öröklésmenet: több génes öröklődés (komplementaritás, episztázis)

11-12 dia

16-21 dia

Page 14: GENETIKA - emte.siculorum.roemte.siculorum.ro/~maragyongyver/Genetika/GENETIKA okt segedlet Mara.pdf · A genetika annak a biológiai információnak a tanulmányozásával foglalkozik,

14

Két domináns gén együttes hatása

Egy példa az egerek szőrzetszínének öröklődésére: homozigóta szürke egereket kereszteztek ugyancsak

homozigóta barna egerekkel. Az F1 nemzedékben valamennyi egyed szőrszíne szürke volt. Az F1

nemzedék egyedeinek egymás közti keresztezéséből származó F2 nemzedékben az utódok között 9/16

szürke, 3/16 fahéjszínű, 3/16 fekete és 1/16 barna szőrzetű egyedet találtak. A négyféle fenotípusból,

valamint a fenotípusok arányából az a következtetés adódik, hogy a szőrzetszín kialakításában két gén 2-

2 allélja vesz részt. A barna színű egyedek mindkét jellegre nézve homozigóta recesszívek (aabb), mivel

arányuk az F2 nemzedékben 1/16. A szülői nemzedék szürke egyedei mindkét jellegre homozigóta

dominánsak (AABB). Az F1 nemzedék szürke egyedei mindkét jellegre nézve heterozigóták (AaBb).

Fahéjszínű szőrzet AAbb, illetve Aabb, fekete szőrzet pedig aaBB, illetve aaBb genotípus esetén alakul ki.

6. ábra. Az egerek szőrzetszínének öröklődése

Komplementaritás:

Egyes esetekben két gén kölcsönhatásának eredményeképpen az F2-ben lehetséges 4 genotípus

kevesebb fenotípust határoz meg, mert egyes fenotípusok kettő vagy több genotípust is magába

foglalhatnak.

Amikor kutatók a szagos bükköny (Lathyrus odoratus) virágának színét vizsgálták, amikor arra lettek

figyelmesek, hogy a fehér és lila virágú egyedek keresztezése eredményeképpen az F1-ben az egyedek

lila virágúak voltak, míg az F2-ben 9:3 lila vs. fehér virágú hasadási arányt kaptak. Tehát a két gén amely

Page 15: GENETIKA - emte.siculorum.roemte.siculorum.ro/~maragyongyver/Genetika/GENETIKA okt segedlet Mara.pdf · A genetika annak a biológiai információnak a tanulmányozásával foglalkozik,

15

a virág színét meghatározza kiegészíti egymást, mindkét gén domináns tulajdonságváltozatának

jelenlétében alakul ki a lila virágszín.

Ennek a komplementaritásnak a lehetséges biokémiai magyarázata abban rejlik, hogy egy színtelen

pigment színessé alakítása két enzimet ígényel. Tehát csak azok az egyedek lesznek lila színűek, amelyek

mindkét enzim szintézisére képesek, azaz hordozzák a A és B tulajdonságváltozatokat. A másik három

genotípus csoport (A– bb, aa B–, és aa bb) egyedei nem képesek az egyik enzim szintézisére, ezért a

színtelen pigmentet nem tudják átalakítani így a virág színe fehér marad.

A 9:3 arány két domináns gén komplementaritásából ered, ahol a két gén A– B– domináns

tulajdonságváltozata szín megjelenését, míg a többi genotípus (A– bb, aa B–, és aa bb) a szín hiányát

eredményezi.

Recesszív episztázis

A labrador kutyafajta szőrzetszínének kialakításában két gén alléljai vesznek részt. Ha az „A” gén

domináns allélja megtalálható az egyed sejtjeiben (genotípus: AA vagy Aa), akkor a szőrzet sötét színű.

„B” gén domináns alléljának (BB vagy Bb) jelenlétében fekete, „B” génrecesszív alléljának (bb)

jelenlétében pedig csokoládébarna. Ha az egyed „A” génre nézve homozigóta recesszív (aa), akkor a

szőrzet világossárga színű, mert a hámsejtekben nem működőképes a sötét színű festékanyag

előállítását katalizáló enzim. A világos szőrzetű egyedek genotípusa aaBB, aaBb és aabb lehet.

7.ábra. A labrador szőrzetszínének öröklődése

Page 16: GENETIKA - emte.siculorum.roemte.siculorum.ro/~maragyongyver/Genetika/GENETIKA okt segedlet Mara.pdf · A genetika annak a biológiai információnak a tanulmányozásával foglalkozik,

16

Homozigóta sárga színű kant pároztattak homozigóta, barna színű szukával. Az utódok kivétel nélkül

fekete színűek lettek. Az F1 nemzedék egyedei között végrehajtott keresztezésekből származó kiskutyák

9/16-a fekete, 3/16-a barna és 4/16-a sárga szörzetű volt. A keresztezés eredményéből kitűnik, hogy a

szülői nemzedékben a sárga bundájú kan genotípusa aaBB, a barna szukáé pedig AAbb lehetett. Az F1

nemzedék egyedei mindkét génre heterozigóták (AaBb), keresztezésükből 9:3:4 arányban

származhatnak fekete, barna és sárga szőrzetű utódok.

Az „A” génhomozigóta recesszív formában (aa) elnyomja a „B” génalléljainak hatását. Az ilyen típusú

génkölcsönhatás a recesszív episztázis.

Domináns episztázis

Egy kísérletben homozigóta fekete maghéjúbabfajtát kereszteztek ugyancsak homozigóta fehér

magvúval. Az F1 nemzedék valamennyi egyede fekete maghéjú lett. Ebből a kutatók először arra

gondoltak, hogy a jelleg domináns – recesszív módon öröklődik. Az F1 egyedek egymás közötti

keresztezésének eredménye azonban eltért a várttól: az utódok 12/16-a fekete, 3/16-a barna, 1/16-a

fehér maghéjú lett. A barna fenotípus megjelenéséből, valamint a fehér maghéjú egyedek

számarányából az állapítható meg, hogy a jelleg kialakításában két gén alléljai vesznek részt.

8. ábra. A bab maghéjszínének öröklődése

A fehér maghéjrecesszív jelleg, az F2 nemzedékben tapasztalt arány alapján az ilyen egyedek genotípusa

aabb. A szülői nemzedékben a fekete maghéjú egyedek mindkét genre homozigóta dominánsak (AABB).

Page 17: GENETIKA - emte.siculorum.roemte.siculorum.ro/~maragyongyver/Genetika/GENETIKA okt segedlet Mara.pdf · A genetika annak a biológiai információnak a tanulmányozásával foglalkozik,

17

Homozigóta recesszív egyedekkel való keresztezésük az F1 nemzedékben mindkét génreheterozigóta

(AaBb), fekete maghéjú utódokat ad. A heterozigóták egymás közti keresztezéséből származó utódok

közül azok, amelyekben jelen van „A” géndomináns allélja (AA vagy Aa), fekete maghéjúak. Az „A”

génrehomozigóta recesszív egyedek (aa) közül a barna maghéjúakban „B” génből domináns (BB vagy

Bb), a fehér maghéjúakbanrecesszív allél (bb) található.

Ez a génkölcsönhatás a domináns episztázis. A maghéjszín kialakulásakor az egyik gén domináns allélja

megakadályozza a másik gén alléljainak megnyilvánulását.

Page 18: GENETIKA - emte.siculorum.roemte.siculorum.ro/~maragyongyver/Genetika/GENETIKA okt segedlet Mara.pdf · A genetika annak a biológiai információnak a tanulmányozásával foglalkozik,

18

4. AZ ÖRÖKLŐDÉS KROMOSZÓMA ELMÉLETE. MITÓZIS ÉS MEIÓZIS, GAMÉTAKÉPZŐDÉS

4.1. Kromoszómák a gének hordozói

Az eukarióta sejtek osztódása bonyolultabb, hiszen a genetikai anyag több gént tartalmaz, amelyek nem

egyetlen, hanem több kromoszómán találhatók, és ezeket egyenlően kell elosztani a két leánysejt

között. A kromoszómák jól meghatározott számban fordulnak elő az eukarióta sejtekben (pl. az ember

esetében 23 pár kromoszóma azaz 46 kromoszóma található). Minden kromoszóma két karral, egy

röviddel és egy hosszúval rendelkezik. Az a pont ahol két kromoszóma kapcsolódik az a centromérának

nevezett régió.

A kromoszómák száma egy testi sejtben fajra jellemző, és minden kromoszóma, forma, méret és

genetikai információ szempontjából két másolatban található meg a testi sejtekben, amelyből az egyik

apai a másik meg anyai eredetű. Ezeket a kromoszómákat homológ kromoszómáknak nevezzük (lásd 9.

ábra). A sejtosztódás előtt a sejt megkettőzi a genetikai anyagát, így minden kromoszóma 2

testvérkromatidából áll. Ezek genetikai szempontból egymás pontos másolatai, amelyek a sejtosztódás

során kettéválnak, így a leánysejtek ugyanazt a genetikai anyagot fogják tartalmazni.

9. ábra. A homológ kromoszómák és a testvérkromatidák

(Forrás: http://www.newworldencyclopedia.org/entry/Image:Chromosomes_during_mitosis.jpg)

4-11 dia

Page 19: GENETIKA - emte.siculorum.roemte.siculorum.ro/~maragyongyver/Genetika/GENETIKA okt segedlet Mara.pdf · A genetika annak a biológiai információnak a tanulmányozásával foglalkozik,

19

Minden kromoszóma egy hosszú DNS molekulából áll, amelyen ezernyi gén található, és amely fehérje

molekulák segítségével egy kondenzált, összecsomagolt formáját alkotja a genetikai anyagnak. Ezt a

gyöngyfüzérhez hasonló struktúrát kromatinnak nevezzük. A kromatint nukleoszómák, azaz hiszton

fehérjékből álló törzsből és a rátekeredett DNS-ből álló ismétlődő struktúrák alkotják.

10. ábra. A kromoszóma és építőköve a DNS

(Forrás: http://bellespics.eu/image/5cfe4f96/)

4.2. Mitózis: számtartó sejtosztódás

Tágabb értelemben a mitózis az a folyamat, amelynek során egy eukarióta sejt osztódással két

genetikailag egyenértékű utódsejtet hoz létre. Szűkebb értelemben a mitózis a mag osztódását

(kariokinézis) jelenti, amely során a megkettőződött testvérkromatidák szétválnak. A kariokinézist a

sejttest befűződéssel történő osztódása követi (citokinézis), amely során a citoplazma és annak

organellumai osztódnak. A kariokinézist a mikrotubulusokból felépülő magorsó végzi, és a szétválasztás

rendkívül pontos. A citokinézis a miozint és aktint tartalmazó kontraktilis gyűrű segítségével valósul meg,

és előfordul az is, hogy a két utódsejt tömege eltérő.

A mitózisnak 5 szakaszát különböztetjük meg: profázis, prometafázis, metafázis, anafázis és a telofázis,

az utóbbit a citokinézis követ.

A mitózis előtt, az interfázisban, a sejt genetikai anyaga megkettőződik, tehát a sejtek két kromatidás

állapotba kerülnek, és a centriólumot (sejtközpont) tartalmazó centroszómák is megkettőződnek.

12-17 dia

Page 20: GENETIKA - emte.siculorum.roemte.siculorum.ro/~maragyongyver/Genetika/GENETIKA okt segedlet Mara.pdf · A genetika annak a biológiai információnak a tanulmányozásával foglalkozik,

20

4.2.1. Profázis

A profázis során változások állnak be mind a sejtmagban mind a citoplazmában. A sejtmaghártya

feloldódik és a kromoszómák összeszerelődnek. Minden megkettőződött kromoszóma két

testvérkromatidából áll, amelyek a centromer régióban kapcsolódnak össze. A centromer régióban

speciális fehérjék találhatóak, amelyek egy-egy korongszerű képletbe, a kinetochorba csoportosulnak

(11. ábra). Ez az a hely a kromoszómán, ahová a magorsó mikrotubulusai be tudnak kötődni. Centromer

régió hiányában a kromoszóma nem tud a szállítóapparátushoz kötődni, ezért véletlenszerűen sodródik

egyik vagy másik utódsejtbe. A profázis során a citoplazmában az osztódási orsó vagy magorsó kezd

összeszerelődni, a két centroszóma eltávolodik és kialakulnak közöttük a magorsó fonalak

(mikrotubulusok).

11. ábra. A kromoszóma centromer régiója, kinetochor

(Forrás: http://iws.collin.edu/biopage/faculty/mcculloch/1406/outlines/chapter%2011/chap11.htm)

4.2.2. Prometafázis

A prometafázis során a kromoszómák és a szállítókészülék összekapcsolódnak. Ebben a szakaszban a

pólusokon a két sejtközpont (centroszóma) körül véglegesen kialakul a magorsó vagy osztódási

mikrotubuláris rendszere, mely kinetochor és nem kinetochor mikrotubulusokból áll. A kinetochor

mikrotubulusok a kromoszómákat kapcsolják a pólusokhoz. A nem kinetochor mikrotubulusok nem

kapcsolódnak kromoszómához, a magorsó felezősíkjában végeikkel egymásba csúsznak (lásd 12. ábra).

Prometafázisban a kromoszómák a két pólus között véletlenszerűen mozognak, amíg minden

kinetochorhoz hozzákötődik néhány mikrotubulus. Ha a kromatidákon levő egyik kinetochor kapcsolatot

Page 21: GENETIKA - emte.siculorum.roemte.siculorum.ro/~maragyongyver/Genetika/GENETIKA okt segedlet Mara.pdf · A genetika annak a biológiai információnak a tanulmányozásával foglalkozik,

21

létesít valamelyik pólussal, a másik csak az ellentétes pólushoz tud kötődni, így a két kromatida

ellentétes pólushoz kötődik.

Az osztódási orsó mikrotubulusokból szerveződik. A sejt citoszkeletonját (sejtváz) alkotó mikrotubulusok

lebomlanak és az osztódás kezdeti fázisában az osztódási orsó kialakításában vesznek részt. A

mikrotubulusok összeszerelődése a centroszómában kezdődik, amelyet mikrotubulus szervező

központnak is neveznek.

12. ábra. Az osztódási orsó

(Forrás: http://www.biologie.uni-hamburg.de/b-online/library/onlinebio/BioBookglossC.html)

4.2.3. Metafázis

A metafázisban a centroszómák a sejt két ellentétes pólusán helyezkednek el. A kromoszómák a két

pólus közötti felezővonal síkjában (ekvatoriális sík) sorakoznak fel. Ennek alapja, hogy a kromoszómákra

a két pólus felől ható ellentétes erők a felezővonalban egyenlítődnek ki. A metafázisban egy

ellenőrzőpont működik, a sejt csak akkor lép át anafázisba, ha az összes kromoszóma elfoglalta helyét az

ekvatoriális síkban.

4.2.4. Anafázis

Az anafázis a kromatidák szétválásával kezdődik, amikor a kromoszómák centromer régiói szétválnak. A

mozgást a kinetochor mikrotubulusok lebomlása (a polimerizált fehérjék elbomlása) hozza létre,

miközben a kapcsolat a pólus és a kromoszóma között nem szűnik meg. A kromoszómák kb. 1

mikron/perc sebességgel vándorolnak az ellentétes pólusok felé. Ugyanakkor a két pólus is távolodik

egymástól, amely a sejt megnyúlását eredményezi.

Page 22: GENETIKA - emte.siculorum.roemte.siculorum.ro/~maragyongyver/Genetika/GENETIKA okt segedlet Mara.pdf · A genetika annak a biológiai információnak a tanulmányozásával foglalkozik,

22

4.2.5. Telofázis

A telofázis során a nem kinetochor mikrrotubulusoknak köszönhetően a sejt tovább nyúlik. A leánysejtek

új maghártyája a szülői sejt maghártyájából alakul ki, valamint az endomembrán rendszer más

membránjaiból. Mintha a profázis és prometafázis ellentétes folyamatának lennénk tanúi, újra

kialakulnak a sejtmagvacskák, a két sejtpólus közelébe érő kromoszómák fellazulnak, széttekerednek és

a magorsó is kezd szétszerelődni.

Már az anafázis során megkezdődik és a telofázisban befejeződik a citokinézis. Mikroszkóposan

megfigyelhető a sejt középvonalának befűződése.

4.2.6. Citokinézis

A citokinézis, azaz a két új leánysejt kialakulása, az állati és növényi sejtek esetében különböző módon

megy végbe. Az állati sejtekben a sejthártya alatt található – aktin és miozinból álló –fonalak gyűrűszerű

struktúrája hozza létre a kontraktilis gyűrűt, amely segítségével megtörténik a sejt befűződése. A

növényi sejtek sejthártyáján kívül egy cellulóz sejtfal található. Ennek következtében nem kontraktilis

gyűrű alakul ki, hanem a sejtfal kialakulása zárja a sejtosztódást. A sejtfal kialakulásának első lépése a

membránnal körülvett vezikulák kialakulása, majd a telofázis során kialakul a középlemeznek nevezett

struktúra.

A sejtosztódás időzítése és gyakorisága a növényi és állati szervezet normális növekedése során nagyon

fontos. Egyfajta rendszerességet figyelhetünk meg bizonyos specializálódott sejtek osztódásában.

4.3. Meiózis: számfelező sejtosztódás

Az ivarosan szaporodó fajokra jellemző, hogy a diploid (2n, n=kromoszómaszám) egyedek életciklusuk

bizonyos szakaszában haploid (n) gamétákat hoznak létre. A diploid sejtek két példányban tartalmazzák

a kromoszómákat, míg a haploidok egy példányban. Tehát egy diploid humán sejt 46, egy haploid pedig

23 kromoszómát tartalmaz. A gaméták az ivarszervekben alakulnak ki a meiózisnak nevezett

folyamatban, mely két módosult sejtosztódásból áll. Általában kétféle, méretében, tulajdonságaiban

eltérő gaméta képződik: hím egyedekben kis, mozgékony spermiumok, nőstényekben sok tartalék

anyagot tartalmazó, nagyméretű, mozgásra képtelen petesejtek. A petesejt és a spermium

összeolvadása hozza létre a zigótát, amely diploid, és amelyből osztódások sorozata új szervezetet hoz

létre. Az ivaros szaporodás elterjedését az élővilágban a vele járó előnyök magyarázzák: a meiózis és a

megtermékenyítés lehetővé teszi, hogy az utódok szüleiktől új génkombinációkat örököljenek, ami

növeli a változatosságot és az alkalmazkodás lehetőségeit.

A meiózis két módosult sejtosztódásból áll, amelynek eredményeként egy diploid (2n) sejtből 4 haploid

(n) sejt jön létre. Az osztódás fázisai, a kromoszómákat mozgató mechanizmusok a mitózishoz

hasonlóak. A meiózisba lépő sejt az osztódását megelőzően ugyanazon a folyamatokon megy keresztül,

mint a mitózist végző sejt: az S-fázisban DNS tartalma megkettőződik, kromoszómaszáma 2n, tehát

19-27 dia

Page 23: GENETIKA - emte.siculorum.roemte.siculorum.ro/~maragyongyver/Genetika/GENETIKA okt segedlet Mara.pdf · A genetika annak a biológiai információnak a tanulmányozásával foglalkozik,

23

minden kromoszóma kétkromatidás. A mitózissal ellentétben a meiózis során két egymásutáni

sejtosztódás játszódik le.

4.3.1. Meiózis I: a homológ kromoszómák szétválása

Minden diploid sejt a kromoszómáinak két változatát tartalmazza, a homológ kromoszómákat. A

meiózist megelőzően az interfázisban a sejt genetikai anyaga megkettőződik, így minden sejt tartalmaz

minden kromoszómáról egy-egy másolatot, azaz testvérkromatidát. Ezáltal úgy a mitózis mind a meiózis

kezdetekor az osztódó sejtek két megkettőződött homológ kromoszómát tartalmaznak.

A meiózis I-ben a homológ kromoszómák szétválása történik, a fázisai hasonlítanak a mitózisnál

tanultakhoz: profázis I, metafázis I, anafázis I, telofázis I és citokinézis.

A meiózis profázisa hosszabb és komplexebb, mint a mitózis esetében. A profázis I-ben a kromoszómák

összeszerelődnek, a megkettőződött homológ kromoszómák párba rendeződnek, ezáltal tetrádok

alakulnak ki. Több helyen a kromoszóma hossza mentén a homológ kromoszómák kromatidjai

összecsavarodnak (kiazmák alakulnak ki), így a kromatidák között génkicserélődés megy végbe (crossing-

over, lásd 13. ábra).

13. ábra. Homológ kromoszóma párok és a génkicserélődés

(Forrás: http://smabiology.blogspot.com/2008_11_01_archive.html)

A metafázis I-ben a homológ kromoszómapárok a sejt középső síkjába rendeződnek, minden

kromoszómához az osztódási orsó egy-egy fehérjefonala kapcsolódik. Az anafázis I-ben a homológ

kromoszómapárok tagjai elválnak egymástól és a sejt ellentétes pólusai felé mozognak. A

kromoszómapárok tagjainak szétválása véletlenszerű, tehát nem tudható, hogy melyikük vándorol az

egyik, és melyikük a másik pólusra.

A telofázis I és a citokinézis során kialakul a két sejtmaghártya és kettéválik a citoplazma is. Az első

osztódási fázis végével az utódsejtek haploidok (n), de kromoszómák kétkromatidások lesznek, azaz

tartalmaznak még egy-egy másolatot.

Page 24: GENETIKA - emte.siculorum.roemte.siculorum.ro/~maragyongyver/Genetika/GENETIKA okt segedlet Mara.pdf · A genetika annak a biológiai információnak a tanulmányozásával foglalkozik,

24

4.3.2. Meiózis II: a testvérkromatidák szétválása

Ahogy a meiózis I lezárul a sejtek a következő sejtosztódási fázisba lépnek, anélkül, hogy a genetikai

anyag még egyszer megkettőződne. A második sejtosztódási fázisban lényegében mitózis zajlik, az első

osztódás során képződött mindkét sejtben. A folyamat során a kromoszómák kromatidái válnak szét.

A II-ik profázisban ismét kialakulnak a kromoszómák és lebomlik a maghártya, a metafázis II-ben pedig a

kromoszómák a sejt középsíkjába rendeződnek. A II. anafázisban a kromoszómák kromatidái elválnak

egymástól, míg a telofázis és citokinézis során egykromatidássá alakult kromoszómák széttekerednek,

kialakul az utódsejtekben a sejtmaghártya, és kettéválik a citoplazma. Így a meiózis II végére a kezdeti

diploid sejtből négy haploid sejt keletkezik.

4.4. A kromoszómaelmélet igazolása

Sutton volt az első aki megfogalmazta a kromoszómaelméletet, felhasználva Bovery elméleti és

gyakorlati eredményeit. 1903-ban publikálta eredményeit, amelyek a következőket foglalta magába:

Minden sejt a kromoszómák 2 változatát tartalmazza és így minden génnek két változatát,

A kromoszómák, Mendel örökletes tényezőihez hasonlóan változatlanul átörökítődnek egyik

generációról a másikra,

Mezózis során a homológ kromoszómák párba rendeződnek, majd a gamétaképzés során

szétválnak, mint Mendel alléljai,

Az egyes kromoszómapárok apai és anyai változatai a sejt két pólusa felé vándorolnak ahogy

Mendel allálváltozatai is. Jellemző rájuk a független öröklődés,

Megtermékenyítés során a kromoszómák egyesülnek,

Az utód sejtekben: fele kromoszómakészlet anyai, fele pedig apai eredetű.

Thomas Hunt Morgan szkeptikus volt a gén és kromoszómaelmélet tekintetében. Az ecetmuslicán

(Drosophila melanogaster) végzett kutatásai viszont igazolták, hogy a kromoszómák Mendel „örökletes

tényezőinek”, a géneknek a helyei. Minden kromoszóma a gének nagy csoportját tartalmazza, az

ecetmuslicának több mint 1000 génje 4 pár kromoszómán található. Tehát nem a tulajdonságok, hanem

a kromoszómák kombinálódnak szabadon.

Morgan további kísérletei során megfigyelte, hogy az ivari jelleghez is kötődhetnek gének. Például

amikor a fehér szemű hím egyedet vörös szemű nősténnyel kereztezte, az F1 generációban minden

egyednek vörös szeme volt. Arra a következtetésre jutott, hogy a vörös szemszín a domináns. Az F2-ben

arra lett figyelmes, hogy csak a hím egyedek esetében jelenik meg a fehér szemszín. Az összes nőstény

és a hímek fele vörös szemű volt. Valahogy tehát a szemszín öröklése az ecetmuslica esetében nemhez

kötött volt. Ebből és más kísérletekből következtetett arra, hogy a szem színét meghatározó gén X

kromoszómához kötötten öröklődik. Azokat a géneket amelyek ivari kromoszómákon helyezkednek el

ivarhoz kötött géneknek nevezzük.

30-33 dia

Page 25: GENETIKA - emte.siculorum.roemte.siculorum.ro/~maragyongyver/Genetika/GENETIKA okt segedlet Mara.pdf · A genetika annak a biológiai információnak a tanulmányozásával foglalkozik,

25

5. LINKAGE, REKOMBINÁCIÓ ÉS A GÉNEK KROMOSZÓMATÉRKÉPEZÉSE

5.1. Gének kapcsoltsága és rekombináció

Gének kapcsoltsága:

Az emberi genomot véve alapul elmondhatjuk, hogy a megközelítőleg 20,000 humán gén a 23 pár

kromoszómán helyezkedik el, tehát a legtöbb humán kromoszóma gének százait/ezreit tartalmazzák. Ez

jellemzi a humán X kromoszómát is, amely esetében 739 fehérje kódoló gént írt le 2005-ben egy

bioinformatikus kutatócsoport. Ez a szám természetesen a molekuláris genetikai módszerek fejlődésével

növekszik. Ha azok a gének, amelyek különböző kromoszómán vannak függetlenül öröklődnek, hogyan

öröklődnek az egy kromoszómán található gének?

Ha az ecetmuslica X kromoszómához kötött génjeit vizsgáljuk, például a szem színt és a testszínt, akkor

erről a két génről elmondhatjuk, hogy szinténiás gének, hiszen egy kromoszómán találhatóak.

Az ecetmuscica esetében a szem szín vad tulajdonságváltozata a piros (w+, piros, vad, domináns) míg a

mutáns tulajdonságváltozata a fehér (w, fehér), míg a test szín esetében a vad tulajdonságváltozat az y+

(barna, vad, domináns), és a mutáns az y (sárga)

Ha egy mutáns fehér szemű, vad barna testű nőstényt (wy+/ wy+) kereszteztek egy vad típusú piros

szemű, mutáns sárga testű hímmel (w+y/Y), akkor az F1 generációban azt figyelték meg, hogy vad típusú

piros szemű és vad típusú barna testű nőstények (wy+/w+y) és vad típusú barna testű, mutáns típusú

fehér szemű hímek (wy+/Y) születtek.

Ha az előbb említett tulajdonságok egyástól függetlenül öröklődnének, akkor az F1 nőstényeknek 4 féle

gamétájuk (gének négyféle kombinációja) alakulhatna ki, azaz: wy+, w+y, w+y+ és wy egyforma

gyakorisággal (1:1:1:1). Ha ez így menne végbe, akkor a gaméták fele szülői kombinációt tartalmazna,

másik fele pedig a tulajdonságváltozatok újszerű kombinációját (rekombináns típus).

Az F2 generáció 9026 hím egyedet eredményezett (hím a nősténytől kapja az X kromoszómáját, azaz a

két vizsgált tulajdonságot is), de a hímek esetében a várt 1:1:1:1 aránytól nagyon távoli értékeket

kaptak. Megfigyelték, hogy a hímek nagyrésze a szülői tulajdonság kombinációkat mutatta (8897, 99%),

míg alig 1%-nál volt megfigyelhető a tulajdonságváltozatok újszerű kombinációja.

Két gént akkor tekintünk kapcsoltnak, ha az F2 generációban a szülői tulajdonságváltozatok

kombinációja magassabb mint az újszerű kombináció (rekombináns típus).

A gének kapcsoltsági foka változhat. Pl. ecetmuslica: szem szín és a szárny formájának öröklésmenete

(X kromoszómához kötött gének). Vörös szemű, normál szárnyú nőstényt (w+m+/w+m+) * fehér szemű,

csökevényes szárnyú hímmel (wm/Y) kereszteztek, és következőket figyelték meg: az F1 generációban

vörös szemű, normál szárnyú hím egyedek jelentek meg, míg az F2 generációban a hímek esetében:

67,2% szülői típus (w+m+ és wm), 32,8% rekombináns (wm+ és w+m) volt.

A gének kapcsoltsága nem cask ivari kromoszómákhoz kötött génekre, hanem autoszomális génekre is

jellemző. Az ecetmuslica esetében autoszómához kötött testszín és szárny formát vizsgáltak (testszín:

barna b+, fekete b valamint a szárny forma : egyenes c+, görbe c). A tesztelő keresztezés során

3-10 dia

Page 26: GENETIKA - emte.siculorum.roemte.siculorum.ro/~maragyongyver/Genetika/GENETIKA okt segedlet Mara.pdf · A genetika annak a biológiai információnak a tanulmányozásával foglalkozik,

26

megfigyelték, hogy a rekombinánsok előfordulási gyakorisága 23% volt. Mivel a szülői

tulajdonságváltozatok előfordulása magasabb volt mint a rekombináns tulajdonságváltozatok

előfordulása, ezért a két gént genetikailag kapcsoltnak tekintjük, jelen esetben egy autoszómához.

Rekombináció

Az hogy a gének fizikailag kromoszómákhoz kötöttek, ezért együtt/kapcsoltan öröklődnek eléggé

egyszerű elképzelni. De a rekombináns változatok különböző gyakorisággal való előfordulását már

nehezebb megérteni. Létezik egy olyan fizikai folyamat amelyben a kromoszómák részt vesznek és amely

a rekombináns változatokat eredményezi? 1909-ben Frans Janssens mikroszkóp alatt figyelte meg a

meiótikus osztódás során kialakuló kiazmákat. A kiazmák azok a régiók, ahol a homológ kromoszómák

közötti kölcsönös információcsere megy végbe, azaz a crossing-over (a tulajdonságok újszerűen

kombinálódnak).

5.2. Kromoszómatérképezés

Különböző gének között különböző kapcsoltsági ráta figyelhető meg, hiszen a gének a kromoszómákon

sorban helyezkednek el. Ha két gén közelebb helyezkedik el egy kromoszómán, kissebb a valószínűsége

hogy a crossing over során elválasztódnak egymástól. Ha két gén egymástól távol van a kromoszómán,

az esélye, hogy a crossing-over szétválassza, sokkal nagyobb. A rekombinációk gyakorisága tehát a gének

egymáshoz viszonyított helyét jelzik. Ezt az összefüggést Morgan tanítványa Alfred Sturtevant fejleszti

tovább, és javasolja, hogy a rekombinációs frekvenciát (RF) használják a gének egymástól való

távolságának kifejezésére=centimorgan (cM)=térkép egység (m.u.).

14. ábra. A w, z, m gének kromoszómatérképe

11-17 dia

Page 27: GENETIKA - emte.siculorum.roemte.siculorum.ro/~maragyongyver/Genetika/GENETIKA okt segedlet Mara.pdf · A genetika annak a biológiai információnak a tanulmányozásával foglalkozik,

27

Az ecetmuslica X kromoszómához kötött génjei közötti w, z, m genetikai távolság meghatározása. Ha ez

a három gén a kromoszómán lineárisan helyezkedik el, akkor az egyik középen, míg a másik kettő szélen

kell legyen. A legnagyobb genetikai távolság tehát a két szélen levő gént határozza meg egymástól, és a

másik két genetikai távolság összegével megközelítőleg megegyező. Tehát a w gén az y és az m gén

között helyezkedik el. Tehát a rekombinánsok előfordulási gyakorisága alapján meghatározható a

kromoszómán lineárisan elhegyezkedő gének egymáshoz viszonyított helyei (14 ábra).

Page 28: GENETIKA - emte.siculorum.roemte.siculorum.ro/~maragyongyver/Genetika/GENETIKA okt segedlet Mara.pdf · A genetika annak a biológiai információnak a tanulmányozásával foglalkozik,

28

6. A GÉNEK ÉS AZOK SZEREPE: DNS MINT ÖRÖKÍTŐ ANYAG, DNS REPLIKÁCIÓJA

6.1. DNS mint örökítő anyag

A múlt század első felében nem volt ismert tény, hogy hol helyezkedik el az örökítő anyag a sejten belül,

és azy sem ismerték, hogy milyen molekula töltheti be a genetikai funkciót. Nyilvánvalónak tűnt, hogy az

örökítő anyagnak valamilyen bonyolult szerkezetű makromolekulának kell lennie, hiszen csak egy ilyen

molekula képes biztosítani azt a fenotípusos komplexitást, amit pl. egy emberi test képvisel. 1890-ben

kimutatták, hogy a genetikai anyag a sejtmagban van. A későbbi vizsgálatok konkrétabban is megjelölték

ezt a helyet, eszerint az örökítő anyag a kromoszómákban található: Theodor Boveri (1902) kimutatta,

hogy a kromoszómák szegregációja (szétválása) a meiózis során az a folyamat, amely a Mendeli

törvények genetikai alapját képezi. Mivel a kromoszómák két komponensből állnak, fehérjékből és DNS-

ből, ezért ezt a két makromolekulát gyanították, hogy sz örökítő molekula.

Eleinte a fehérjékre gyanakodtak, mert ezek a molekulák eléggé bonyolultak ahhoz, hogy a genetikai

információt tárolják. Ebben az időben a DNS szerkezetét ugyanis túl egyszerűnek, monotonnak hitték.

Griffith baktérium kísérletei:

Frederick Griffith (1928) tüdőgyulladást okozó S.pneumoniae baktériummal végzett kísérleteket. Griffith

kérdése az volt, hogy egy fertőzőképes baktérium képes-e átadni a virulenciáját egy nem virulens

baktériumnak. A kísérleteket a virulens S (sima) és az avirulens R-típusú (durva) törzsekkel végezte. Az S-

típusú baktériumokat egy poliszacharid kapszula borítja kívülről, ez eredményezi a simának tűnő

felszínüket. A kapszula az S-típusú baktérium számára védelmet biztosít a gazdaállat immunrendszerével

szemben, ezért az ilyen kórokozó letális (pusztulással járó) fertőzést okoz a kísérleti egerekben. Az R-

típusú baktériumokat nem borítja kapszula, ezért az immunrendszer elpusztítja ezeket. Ha S-típusú

baktériumokat hővel inaktiválunk, azok nyilvánvalóan nem lesznek képesek többé megfertőzni az

egereket. Griffith meglepő megfigyelése az volt, hogy ha hővel elölt S-típusú baktériumokat élő nem-

virulens R típusú baktériumokkal kevert össze, s e koktéllal egereket fertőzött, akkor a kísérleti állatok

elpusztultak, s a vérükből élő S-típusú baktériumokat lehetett izolálni. Magyarul, az elölt virulens (S)

baktériumból valamilyen anyag átvitte a virulens sajátságot az élő avirulens R-típusú sejtekbe, s ezáltal

virulensekké alakította át (transzformálta) az eredendően avirulens baktériumokat. Azt a kérdést, hogy

mi ez a transzformáló anyag, Griffith idejében nem lehetett megválaszolni, mivel ehhez a vizsgálathoz

szükséges technológiák nem álltak még rendelkezésre.

Avery: Griffith módosított kísérlete:

Hővel elölt S törzset tartalmazó sejtmentes kivonatokat kezeltek különféle enzimekkel: lipidbontó (lipáz),

fehérjebontó (proteáz), RNS-bontó (ribonukleáz = RNáz) és DNS-bontó (dezoxiribonukleáz = DNáz)

enzimekkel. Ezt követően a kezelt mintákat hozzáadták élő R-típusú baktériumokhoz, s azt vizsgálták,

hogy melyik mintában szűnik meg a transzformáló hatás. Avery-ék azt tapasztalták, hogy kizárólag a

DNS-bontó enzimekkel kezelt minták nem voltak képesek az avirulens R baktériumokat virulens S

törzsekké transzformálni. A kutatók levonták a helyes következtetést: a DNS az örökítő anyag. Ma már

4-10 dia

Page 29: GENETIKA - emte.siculorum.roemte.siculorum.ro/~maragyongyver/Genetika/GENETIKA okt segedlet Mara.pdf · A genetika annak a biológiai információnak a tanulmányozásával foglalkozik,

29

ismert, hogy a sikeres transzformációhoz a baktérium poliszacharid kapszuláját előállító egyik enzim

génjének kell átkerülnie az inaktivált S törzsből az élő avirulens R törzsbe. Averyék kísérlete nagyon

fontos lépés lehetett volna az örökítőanyag mibenlétének tisztázásában, ha felfigyelt volna rá a

tudományos társadalom. De nem ez történt, így ezek az eredmények visszhang nélkül maradtak.

Hershey-Chase kísérlet: bakteriofágok:

A DNS örökítőanyag voltának igazolásában végül a Hershey és Chase bakteriofágokat használó

(baktériumok vírusai) kísérlet győzte meg a tudóstársadalmat. A kutatók ötlete az volt, hogy a fág azon

komponensének kell lennie az örökítőanyagnak, amelyik bejut a baktérium sejtbe, ahol átveszi a sejt

irányítását, melynek eredményeként sok fág részecske képződik (200 db/sejt). Azért esett a választás a

T2 fágra, mert a vírusoknak viszonylag egyszerű a szerkezetük: egy kisméretű DNS molekulából és

néhány fehérje típusból állnak. A sejtbe jutó komponens kimutatásához radioaktív izotópokkal jelölték

meg a makromolekulákat: a fehérjéket a kén 35-ös radioizotópjával (S35), a DNS-t pedig a foszfor 32-es

radioizotópjával (P32). A fertőzés után egy rövid idővel jól összerázták a mintát, hogy a sejtbe be nem

jutott fág részecskéket eltávolítsák a baktériumok felszínéről, majd centrifugálással elválasztották a

baktérium sejteket (ezek az üledékbe kerültek) a felülúszótól, mely a táplevest és a baktériumsejtekbe

be nem jutott fág részecskéket tartalmazta. A kutatók azt az eredményt kapták, hogy a radioaktív foszfor

az üledékben, míg a radioaktív kén a felülúszóban helyezkedett el, melyből levonták a következtetést,

hogy a DNS az örökítő anyag.

6.2. A DNS szerkezetének felfedezése

Milyen a szerkezete és hogyan működik a DNS?

Ismert volt, hogy a dezoxiribonukleotidok a négy bázis (A, T, G, C) egyikéből egy dezoxiribózból és egy

foszfát csoportból állnak (a ribonukleotidokban a dezoxiribóz helyett ribóz, a T helyett pedig U = uracil)

van. A ribózból és egy bázisból álló molekulát nukleozidnak nevezzük (adenozin, guanozin, citidin és

uridin), a dezoxiribózt és bázis tartalmazó molekulák pedig a dezoxiribonukleozidok (dezoxiadenozin,

dezoxiguanozin, dezoxicitidin és dezoxitimidin). A fenti molekulák foszforilált formáit pedig

nukleotidoknak, vagy nukleozid monofoszfátoknak (az RNS-t alkotják), ill dezoxinukleotidoknak, vagy

dezoxiribonuleozid monofoszfátoknak (a DNS alkotói) nevezzük. Két foszfát esetében ribonukleozid

difoszfát, három foszfát csoport esetében pedig nukleozid trifoszfát a molekulák neve (pl. adeniozin-

trifoszfát, dezoxicitidin-difoszfát, stb.). Megjegyzés: egy DNS (vagy RNS) szakasz hosszúságát rendszerint

bázisokban duplaszálú molekula esetében bázispárokban (bp) adják meg.

Chargaff szabály: megfigyelte, hogy az A bázis mindig egyforma arányban fordul elő a T-vel, csakúgy,

mint a G a C-vel, ami egyben azt is jelenti, hogy a purinok és a pirimidinek aránya egyenlő.

A DNS szerkezetének felderítésében egy döntő felfedezés az volt, hogy a nukleotidok egymással

foszfodiészter kötéssel kapcsolódva polimereket képeznek. Ez a felfedezés Alexander Todd nevéhez

fűződik. A foszfodiészter kötések eredményeként a DNS szál gerincét egy váltakozó cukor-foszfát

molekula lánc alkotja, melyben a dezoxiribóz 5’ és 3’ C atomjai vesznek részt.

Röntgenkrisztallográfiás kíésrletek: Rosalind Franklin nevéhez fűződnek, ő próbálkozott a DNS

szerkezetének meghatározásával az ún. Röntgen-diffrakció módszerét használva. A Röntgen kép alapján

11-23 dia

Page 30: GENETIKA - emte.siculorum.roemte.siculorum.ro/~maragyongyver/Genetika/GENETIKA okt segedlet Mara.pdf · A genetika annak a biológiai információnak a tanulmányozásával foglalkozik,

30

a DNS szabályos szerkezetűnek tűnt, periodikus ismétlődődéseket tartalmazó molekula szerkezettel.

Franklin azonban ezekből az adatokból nem tudott felépíteni egy háromdimenziós struktúrát. A DNS

szerkezetének feltárásához egy újszerű megközelítés, a modellépítés vezetett el.

Watson és Crick: a DNS egy kettős spirál. A Watson és Crick által javasolt, s helyesnek is bizonyult,

modell szerint: a DNS egy kettős spirál amelyben a két foszfodiészter kötések által összetartott cukor-

foszfát szál csavarodik egymás körül. A két cukorfoszfát láncot bázispárok kötik össze, melyeket H-hidak

tartanak egyben. A bázispárosodás a komplementaritás elve alapján történik, ami annyit jelent, hogy az

A egy T bázissal (2 H-kötés), a G pedig egy C bázissal (3 H-kötés) kapcsolódik. Látható, hogy egy purinnal

szemben mindig egy pirimidin áll, ezért a két cukorfoszfát lánc egymástól való távolsága állandó. A két

DNS szál antiparallel („fordított”) orientációjú. Ez azt eredményezi, hogy a polinukleotid lánc mindkét

végén a két DNS szál eltérő orientációjú: az egyik szálon a dezoxiribóz 5’ C atomján lévő foszfát csoport (-

PO4) áll szabadon (nem kapcsolódik hozzá dezoxiribóz), a másik szálon pedig a pentóz 3’ C atomján lévő

hidroxil (-OH) csoport szabad (nem kapcsolódik hozzá foszfát). A két DNS szálat többféleképpen szokás

nevezni. Kódoló (= értelmes) szál tartalmazza az aminosavak kódolásához szükséges információkat, tehát

a szekvenciája megegyezik a mRNS-ével, figyelembe véve a TU bázis különbséget a DNS és az RNS között.

A másik szálat komplementer (templát) szálnak nevezzük. Tehát, az mRNS a komplementer DNS szálról

íródik át, templátként használva azt.

6.3. DNS replikációja

Szemikonzervatív DNS replikáció:

A Watson-Crick-féle DNS modell azt sugallta, hogy a DNS replikáció ún. szemikonzervatív („félig

konzervatív”) módon zajlik, ami annyit jelent, hogy első generációban képződött DNS egyik szála az

eredeti szülői DNS szál, a másik pedig újonnan képződik, mégpedig a szülői szálat használva mintaként.

Ezt a hipotézist azonban be kellett bizonyítani, amely kísérletet Meselson és Stahl végezte. Első lépésben

felállították a három elméletileg lehetséges replikációs modellt: (1) szemikonzervatív; (2) konzervatív (a

szülői DNS szálai együtt maradnak, s az utód DNS mindkét szála újonnan képződik); (3) diszperzív

(szétszórt; az utód DNS mindkét szála tartalmaz új és szülői DNS szakaszokat is). Meselson és Stahl

módszere az ún. sűrűség gradiens ultracentrifugáláson alapult. E technika lényege a következő: a

centrifuga csőben - pl. szacharóz oldatból - egy sűrűség gradienst képzünk (a cső tetején alacsony, az

alján pedig magas az oldat sűrűsége), majd hozzáadjuk a szétválasztandó anyagokat, melyek sűrűsége

eltérő. A centrifugálást követően, a sűrű anyagok a cső aljához, a kevésbé sűrűek pedig a cső szájához

közel fognak elhelyezkedni. A nitrogén normál (könnyű) 14-es (N14) formája mellett létezik egy

nehezebb, nem-radioaktív 15-ös molekulasúlyú (nehéz) nitrogén izotóp is (N15). Ha baktériumokat nehéz

N-t tartalmazó táplevesben nevelünk, annak izolált DNS-e - az ultracentrifugálást követően - a

centrifugacsőben alább fog elhelyezkedni, mint a könnyű táptalajon nevelt baktériumból származó DNS.

Meselsonék első lépésként az előzőleg hosszú ideig nehéz N-t tartalmazó táplevesben nevelt

baktériumokat (Escherichia coli = bélbaktérium) könnyű N-t tartalmazó táplevesbe helyeztek (ez azt

eredményezte, hogy a baktériumok DNS-e nehéz nitrogénből állt). Ezt követően időzítették a

27-34 dia

Page 31: GENETIKA - emte.siculorum.roemte.siculorum.ro/~maragyongyver/Genetika/GENETIKA okt segedlet Mara.pdf · A genetika annak a biológiai információnak a tanulmányozásával foglalkozik,

31

mintavételeket az osztódáshoz szükséges idő szerint: egyetlen osztódás 20 percig tart, két osztódás 40

percig, és így tovább. A kutatók izolálták, majd lecentrifugálták az így kapott DNS-eket, s a következő

eredményeket kapták: 20 perc után (1. osztódás) az izolált DNS a könnyű és nehéz DNS csíkja között

helyezkedett el; 40 perc után két csíkot kaptak: egy köztes csíkot és egy könnyű DNS-nek megfelelő

csíkot; 60 perc után a könnyű DNS sávja vastagabb lett, mint a nehézé. Ez a kísérlet kitűnő

bizonyítékként szolgált a DNS szemikonzervatív replikációs módjának igazolására.

Replikáció:

A szemikonzervatív modell szerint a szülői DNS egyik szála templátként szolgál az új DNS szál

szintéziséhez. A szintézis mindig 5’-3’ irányban zajlik. A láncnövekedéshez az energiát

dezoxiribonukleotid trifoszfátokról (dNTP) lehasadó pirofoszfát (két foszfát) szolgáltatja. A dNTP-k

szintéziséhez ezért a sejtnek előzetesen energiát kell befektetnie.

A DNS szintézisét végző enzim a DNS polimeráz-III molekula, amely csak akkor képes elindítani a

szintézist, ha egy rövid egyszálú RNS szakasz (primer) előzőleg elhelyezkedik a DNS szálon. A primer

lényegében kijelöli a pol-III számára a DNS azon szakaszát, ahol a replikáció elkezdődhet. Az RNS szálat a

primáz nevű enzim képezi a DNS szálat használva templátként annak szintéziséhez.

A DNS szintéziséhez számos fehérje szükségeltetik, melyek együtt az ún. replikációs komplexet alkotják.

A helikáz enzim feladata a DNS szálak kitekerése, az ún. egyszálú DNS szerkezetet stabilizáló fehérjék

pedig a két szülői szálat tartják elválasztva a replikáció folyamán.

Mivel az új láncok szintézise 5’-3’ irányban halad, a két szál szintézise különböző módon megy végbe. A

DNS replikációja során a vezető szálon a szintézis folyamatosan haladhat, míg a követő szálon szakaszos.

A követő szál szintézisének állandóan újra kell kezdődnie, hiszen itt a templát DNS csak akkor

hozzáférhető a DNS polimeráz enzim számára, ha a másik szálon már előrehaladt a szintézis. Ennek

eredményeként a követő DNS szálon nem folyamatos a DNS lánc növekedése, hanem kisebb DNS

darabok jönnek létre, melyeket Okazaki fragmentumoknak nevezünk. Az Okazaki fragmentumok RNS

primerjeit (amit a primáz enzim szintetizál) a DNS polimeráz I enzim folyamatosan eltávolítja és DNS

szakaszokat szintetizál helyette. A DNS szakaszok közötti foszfodiészter kötés kialakítását a DNS ligáz

enzim végzi.

Page 32: GENETIKA - emte.siculorum.roemte.siculorum.ro/~maragyongyver/Genetika/GENETIKA okt segedlet Mara.pdf · A genetika annak a biológiai információnak a tanulmányozásával foglalkozik,

32

7. A GÉNEK ÉS AZOK SZEREPE. A GÉNEK MŰKÖDÉSE: TRANSZKRIPCIÓ, TRANSZLÁCIÓ.

GÉNEXSZPRESSZÓ

7.1. Genetikai kód

A genetikai kód a DNS fehérjévé való leolvasására vonatkozó szabály. Egy aminosavat 3 bázis határoz

meg, amiket tripleteknek, vagy bázishármasoknak nevezünk; pl. az ATG a metionint, vagy a TTT a

fenilalanint. Az mRNS-eken lévő bázishármasokat kodonoknak nevezzük. A kodonok megegyeznek a

kóddal, csak T helyett U található; így a metonint AUG, a fenilanalint az UUU triplet határozza meg. A

kódszótár tripletjeinek megnevezéséhez az RNS bázisokat használják. A transzfer RNS-en lévő

kodonokkal komplementer bázishármasokat anti-kodonoknak nevezzük.

A genetikai kód jellemzői:

A genetikai kód tripletekből áll.

A genetikai kód redundáns vagy degenerált. Ez azt jelenti, hogy „több mint ami szükséges”. A 4

bázisból 64-féle (43) triplet kombinációt képezhetünk. Ha ezekből levonjuk a 3 stop kódot (TAA,

TAG, TGA), akkor is 61 különböző variáció marad, míg aminosavakból csupán 20-féle létezik. Ez a

kombinatorikai helyzet úgy oldódik meg, hogy a legtöbb aminosavat több mint egy bázishármas

határozza meg: pl. a leucint 6, a glicint 4, a ciszteint 2, míg a triptofánt vagy a lánckezdő

metionint csak 1. A redundancia azt jelenti tehát, hogy sok aminosavat több mint egy bázis

triplet határoz meg. A redundanciából következik, hogy bizonyos bázisok megváltozása egy

tripletben nem eredményez aminosav cserét. Ezek a cserélhető bázisok leggyakrabban a

tripletek 3. pozíciójában találhatók. A genetikai kód redundanciáját az biztosítja, hogy egy

aminosavat több, különböző antikodont tartalmazó, tRNS is szállíthat egy adott kodonhoz. A

redundancia fogalmát gyakran keverik az ún. „lötyögés”-el (wobble effect), amit Francis Crick

fedezett fel. A lötyögés azt jelenti, hogy bizonyos esetekben egy tRNS antikodonja nem csupán

egy, hanem 2, esetleg 3 különböző kodonhoz is képes kapcsolódni a mRNS-en. Ennek oka az,

hogy 5’ irányból nézve az antikodon 1. bázisa képes nem-specifikus módon is kapcsolódni a

kodon 3. bázisához. Más szavakkal, nincs szükség 61 tRNS-re az összes kodon felismeréséhez,

körülbelül a fele is elég. A lötyögés azért nem okoz variabilitást egy fehérje aminosav

sorrendjében, mert egy tRNS olyan kodonokat ismer fel, amelyek ugyanazt az aminosavat

kódolják.

A genetikai kód vesszőmentes és nem átfedő, ami azt jelenti, hogy a tripletek nem határolódnak

el semmilyen jellel egymástól. Más szavakkal, pl. ha beszúrunk egy bázist a DNS-be, akkor nem

csupán egyetlen triplet válik értelmetlenné, hanem az új bázistól 3’ irányban lévő összes triplet

értelme megváltozik. Más szavakkal, a genetikai kód vesszőmentessége azt jelenti, hogy a

génekben nincsenek kitüntetett jelek arra vonatkozóan, hogy egy triplet hol kezdődik (kivéve

start kodon: AUG). A genetikai kód nem-átfedő sajátsága azt jelenti, hogy a transzláció során egy

4-12 dia

Page 33: GENETIKA - emte.siculorum.roemte.siculorum.ro/~maragyongyver/Genetika/GENETIKA okt segedlet Mara.pdf · A genetika annak a biológiai információnak a tanulmányozásával foglalkozik,

33

adott bázis csak egyetlen aminosav meghatározásában vesz részt. Más szavakkal, egy adott

bázishoz nem kapcsolódhat két különböző tRNS molekula a transzláció során.

A genetikai kód univerzális, ami annyit jelent, hogy ugyanaz a triplet ugyanazt az aminosavat

határozza meg a Föld összes élőlényében. Az univerzalitás alóli kivétel van, hiszen néhány

organizmusnál (néhány egysejtű, mitokondrium és a kloroplasztisz) egy vagy két triplet más

aminosavat vagy stop kodont kódol, de a többi a kód többi része változatlan.

A genetikai kód triplet voltának felismerése:

Francis Crick és Sydney Brenner fejtették meg 1961-ben, hogy azmRNS-en hány nukleotid egység

határoz meg egy aminosavat.

Egy adott fágnak különböző variánsait állították elő. Ezekben a variánsokban rendre ugyanaz a gén

hordozott mutációt, de mindegyik típusban a gén más pontján következett be a mutáció. Ráadásul

speciális kémiai mutagenezis eljárásokat alkalmaztak, amelyekkel az egyik eljárás szerint elsősorban

inszerciót, vagyis egy extra nukleotid beépülését érték el, míg egy másikkal deléciót, vagyis egy nukleotid

kiesését.

A kísérletek eredményeként kiderült, hogy amikor deléciós mutánst inszercióssal rekombináltak, akkor

az esetek egy részében génen belüli komplementáció történt: a dupla-mutáns vadtípusú tulajdonságú

lett. (A komplementáció, mint genetikai kifejezés ebben a konkrét esetben azt jelenti, hogy a kettős

mutáns az eredeti fenotípust mutatja, tehát a második mutáció eltörli az első hatását. A két mutáció

mintegy egymást kiegészítve, komplementálva, kialakítja az eredeti állapotot.) Ha azonban két delécióst

kombináltak egymással, akkor ilyen eredményt soha nem kaptak, és ugyanez volt igaz arra az esetre is,

ha két inszercióst kombináltak egymással. Ezek sem mutattak vadtípusú eredményt.

Három inszerciós együttes fertőzése ugyanakkor néha vadtípusúhoz hasonló triplamutánst

eredményezett, és ugyanezt kapták, amikor három deléciós fággal fertőztek.

15. ábra: Az inszerció, illetve a deléció eltolja a leolvasási keretet

Mindebből Crick és Brenner a genetikai kóddal kapcsolatban az alábbiakra következtettek: a kódban

szerepel egy kezdőpont, ami kijelöli, hogy honnan kell kiolvasni a nukleinsavból az információt. Ebből a

pontból elindulva a kiolvasás szisztematikus rendben, sorban halad. A kódolási eljárásban nincs fizikai

központozás, ami önmagában kijelölné az olvasási keretet, tehát a kódolási eljárás vesszőmentes. A

Page 34: GENETIKA - emte.siculorum.roemte.siculorum.ro/~maragyongyver/Genetika/GENETIKA okt segedlet Mara.pdf · A genetika annak a biológiai információnak a tanulmányozásával foglalkozik,

34

meghatározott kezdőpont, a szisztematikus haladás és a központozás hiánya miatt egy inszerció vagy

egy deléció eltolja a leolvasási keretet. A tripla deléciós illetve a tripla inszerciós mutánsok esete alapján

arra jutottak, hogy a kódolási eljárás három nukleotid egységeken, tehát tripleteken alapul.

A 15. ábrán látható, hogy amennyiben egy inszerció, vagy deléció történik, úgy azt követően a leolvasási

keret eltolódása miatt teljesen más információ olvasódik le, mint eredetileg. Ha azonban egymáshoz

közel következik be egy inszerció és egy deléció, akkor csak a mutációk közvetlen közelében változik meg

a leolvasandó információ, azt követően megmarad az eredeti rend. Amennyiben határozott jelek

mutatnák a kódolt szövegekben a kódoló egységek határát (központozás), úgy egy inszerció vagy deléció

csak egyetlen egységet érintene.

Arra egyébként már korábban Gamow is felhívta a figyelmet, hogy a 20-féle aminosav 4-féle DNS

nukleotidon alapuló egyszerű kódolásához legalább 3 nukleotid egység kell, hiszen két egység csak

42=16, eltérő jelsort jelent. Mivel a 3 egység viszont már 43=64 eltérő jelsort jelent, a kód „degenerált”

(másképpen kifejezve redundáns), egy aminosavra átlagosan több mint 3 triplet jut.

A genetikai kód megfejtése:

A genetikai kód megfejtése A genetikai kód megfejtéséhez két különböző technikát alkalmaztak.

Nierenberg egy in vitro fehérjeszintetizáló rendszerhez egyféle bázist tartalmazó nukleotidokat adott,

melynek eredményeként egyféle aminosavat tartalmazó polipeptidek keletkeztek: pl. az U bázis

esetében poli-fenilalanin (UUU), az A bázis esetében poli-lizin (AAA), a C bázis esetében pedig poli-prolin

(CCC). Megjegyzés: a G bázissal technikai okok miatt nem tudtak dolgozni. Ez a rendszer azonban nem

működött kevert bázisú nukleotidokkal, mert túl sok volt a variáció.

Khorana egy másféle megközelítéssel oldotta meg a problémát: 3 bázisból álló ribonukleotidokat

szintetizált, amelyek hozzákapcsolódtak a riboszómákhoz, majd ezt követően a tRNS-eken lévő anti-

kodonokhoz. Ezután a kutató az oldatot egy szűrőn átpréselte. Az összes aminosavat tartalmazó tRNS

átfolyt a szűrő pórusain, kivéve a riboszómával kapcsoltak (a kapcsolódást a mesterséges triplet tette

lehetővé). Khorana különféle aminosavakat jelölt meg radioaktívan, s egyszerűen párba állította a

szűrőpapíron fennmaradt aminosavakat a hozzáadott tripletekkel.

Nierenberg és Khorana 1968-ban Nobel díjat kaptak a genetikai kód megfejtéséért.

7.2. Transzkripció és splicing

A DNS-ben tárolt információ kifejeződése, más néven a génexpresszió első lépéseként a DNS-ben

dezoxiribonukleotidok sorrendjeként tárolt információ RNS molekulákba íródik át.

Ez a folyamat a transzkripció (átírás). A név találó, mert valóban egyfajta átírásról van szó, ahol egyik

betűtípusról áttérünk egy másikra. Az így keletkező RNS átiratban az információ továbbra is nukleotid

bázisok lineáris sorrendjeként van jelen, bár itt a cukor dezoxiribóz helyett ribóz, és az egyik bázis, a

timin helyett itt uracil szerepel.

13-18 dia

Page 35: GENETIKA - emte.siculorum.roemte.siculorum.ro/~maragyongyver/Genetika/GENETIKA okt segedlet Mara.pdf · A genetika annak a biológiai információnak a tanulmányozásával foglalkozik,

35

A DNS komplementer vagy templát száláról történik az mRNS átírása. A folyamat kulcsenzime az RNS

polimeráz. Az RNS polimeráz egy holoenzim, amely több alegységből épül fel és több funkció ellátására

is képes.

Iniciáció:

A transzláció iniciációs fázisában az RNS polimeráz enzim a DNS szálhoz kötődik, elcsúszik a DNS szálon

addig amíg a promoter régióhoz nem ér (a gén előtt -35 és -10 bp távolságra található a TATA box-nak is

nevezett régió). A promoter régió felismerését követően az RNS polimeráz enzimről leválik a σ faktor, így

az enzim aktiválódik. Az RNS polimeráz enzim a mRNS szintézise mellett a : hidrogén hidak felhasítását

és a DNS molekula kicsavarását is végzi.

Elongáció:

Az elongáció során az aktivált RNS polimeráz (RNS polimerázról levált a σ faktor) elkezdi az mRNS

szintézisét. Mindez a transzkripciós hólyagban megy végben, ahol a DNS kettős hélixe köyötti hydrogen

híd kötéseket az RNS polimeráz felszakította, így az RNS polimeráz számára hozzaférhető a

komplementer avagy a templát szál. A templát szálról lemásolt mRNS a vezető szállal megegyező lesz,

különbség csak annyi, hogy a DNS szerkezetében előforduló T helyett az mRNS U fog tartalmazni.

Termináció:

Az mRSN szintézise addig folytatódik, amíg a keletkezett mRNS szekvenciáján két rövid komplementer

szakasz is nem íródik át, amely egymással egy kettős szálú struktúrát alakít ki, amely hajtűre emlékeztet.

Az RNS hajtű kialakulását követően az RNS polimeráz elengedi a DNS szálat és a transzkripció vagy átírás

befejeződik.

Splicing vagy az mRNS érése:

1970 években megfigyelték, hogy mRNS és DNS szakaszok összehasonlítása során az eukariótáknál

különbségek mutatkoznak. Extém példája a humán disztrofin génje, amely 2,5 millió bp-ból áll míg az

ebből átíródott mRNS 14,000 b hosszúságú volt. A humán disztrofin génje tehát nem kódoló szakaszokat

is tartalmaz, azaz intronokat. Azokat a szakaszokat amelyek kifejeződnk exonnak, azokat a szakaszokat

amelyek nem fejeződnek ki és az exonok között helyezkednek el beékelődött régiónak vagy intronnak

nevezzük. A humán disztrofin ezetében 80 introni ismerünk, amelyek kb. 35 kb méretűek és egyik 400 kb

méretű.

Az eukarióta szervezetek esetében az mRNS a transzláció után módosul, ezt a folyamatot az mRNS

érésének vagy splicingnak nevezzük. A módosulás során a gén nem kódoló szakaszai az intronok

kivágódnak, így a keletkezett érett mRNS rövidebb lesz mint az elsődleges transzkript.

Az mRNS érése során lehetőség van arra is, hogy az elsődleges transzkriptból különféle érett mRNS-t

kapjunk, azaz olyam mRNS-et amelyekből különböző fehérje lesz. Ezt a folyamatot alternatív splicingnak

nevezzük.

7.3. Transzláció

A transzláció vagy a fehérjeszintézis a citoplazmában avagy az endoplazmatikus retikulumban megy

végbe. A fehérjeszitézis helyszíne a riboszómák. A transzláció során a nukleotid nyelven megírt mRNS

20-26 dia

Page 36: GENETIKA - emte.siculorum.roemte.siculorum.ro/~maragyongyver/Genetika/GENETIKA okt segedlet Mara.pdf · A genetika annak a biológiai információnak a tanulmányozásával foglalkozik,

36

lefordítódik aminosav nyelvre. Ehhez a kódszótárt a genetikai kód szolgáltatja. Az a struktúra amely mind

nukleotid mind pedig aminosav nyelvet ismeri az a tRNS (transzfer RNS), és amely a fordírást végzi.

A tRNS 74-95 nukleotid hosszúságú, amely lóhere alakban felcsavarodott szerkezetet mutat. A tRNS

tartalmaz egy antikodon régiót valamint egy aminosav kötő helyet. A tRNS-et annak függvényében

jelöljük, hogy milyen aminosavat hordoz, így a licint tartalmazó tRNS-t tRNSGly jelöléssel létjuk el.

A tRNS antikodonja által meghatározott aminosavat az aminoacil tRNS szintetáz enzim kapcsolja a tRNS-

re. Az élő szervezetekben általában kevesebb tRNS figyelhető meg mint amennyi lehetséges kodon van.

Például az E. coli esetében 79 különböző tRNS-t figyeltek meg, amelyből 42 féle különböző antikodont

tartalmazőt (79-42=19, tehát kodon nincs képviselve). Itt meg kell említeni a Crick által megfogalmazott

„lötyögés” (wobble) törvényét, hogy az utolsó nukleotid nem kulcsfontosságú a genetikai kódban (pl.

GGU, GGC, GGA és GGG a glicint kódolja, a GUU, GUC, GUA és GUG a valint).

A fehérjeszintézis másik kulcsfontosságú struktúráját a riboszómák képezik, amelyek 2 alegységből

épülnek fe. Biokémiailag RNS és fehérje építi fel (pl. E.coli-ban 3 féle rRNS és 52 féle fehérje). A

riboszómákban különböző részek különíthetők el, különböző funkcióval, mint a A (aminoacil), P (peptidil)

és E (exit) kötőhelyek. Az A kötőhelyre érkezik a tRNS amely a kodonnak megfelelő aminosavat

hordozza, majd a P kötőhelyen található tRNS által hozott aminosavval peptid kötést alakít ki. A

peptidkötés kialakulása után a P kötőhelyről a tRNS átcsúszik az E kötőhelyre, és távozik.

Iniciáció:

Az iniciáció során a riboszóma kia elegysége és az mRNS összekapcsolódnak az iniciációs kodon és a

Shine-Dalgarno szekvenciának nevezett régiójában. Az iniciációs kodonnak megfelelő iniciációs tRNS

amely metionint vagy formil metionint tartalmaz bekapcsolódik a riboszóma kis alegységéhez, majd a

riboszóma nagy alegysége is kapcsolódik, akialakítva a transzlációs struktúrát.

Elongáció:

Az elongáció során az elongációs faktor fehérjék játszanak szerepet a megfelelő tRNS aminoacil (A)

kötőhelyre való érkezésében. A P-peptidil kötőhelyen található aminosav és az aminoacil kötéhelyre

érkezett aminosav között kialakul a peptid kötés. A transzláció során az mRNS 5’-3’ irányban olvasódik

le. A transzláció sebessége 2-15 AS/sec, azaz 300 AS álló fehérje 20 sec.-2,5 min.

Termináció:

Nincs a stop kodonoknak megfelelő tRNS a szervezetben. Így amikor a transzláció az mRNS-ben található

stop kodonhoz ér (UAG, UAA, UGA) az elengedő faktornak nevezett fehérjék (release factor) hatására a

transzláció befejeződik.

7.4. Génszabályozás: prokarióta génexpresszió szabályozása

A bakteriális gének jó része közös szabályozás alatt álló egységekbe, ún. operonokba szerveződik.

Koordináltan szabályozódnak például egy anyagcsere útvonal enzimei (lásd Trp-operon), egy tápanyag

hasznosításához szükséges fehérjéket (lásd laktóz-operon) vagy a riboszómális proteineket kódoló

gének. Egy operon felépítését a 16. ábra mutatja be. Az operon tehát egy transzkripciós egység.

29-33 dia

Page 37: GENETIKA - emte.siculorum.roemte.siculorum.ro/~maragyongyver/Genetika/GENETIKA okt segedlet Mara.pdf · A genetika annak a biológiai információnak a tanulmányozásával foglalkozik,

37

16. ábra: A bakteriális operonok általános szerkezete

A lac-operon működése:

A kólibaktérium fő tápanyaga a glükóz, azonban annak hiányában más szénforrásból, így többek között

tejcukorból is tud energiát nyerni. A tejcukor (laktóz) hasznosításához azonban szükséges legalább két

olyan fehérje, amelynek génjei nem fejeződnek ki állandóan. Ez a két fehérje a laktóz hidrolízisét végző

enzim, a β-galaktozidáz (génje a lacZ) és a tejcukor felvételét végző galaktozid-permeáz (más néven

laktóz-permeáz, egy facilitált transzportot végző integráns membránfehérje, génje a lacY). A laktóz

hasznosítást koordináltan szabályozó laktóz-operon (röviden lac-operon) tartalmaz egy harmadik

„szerkezeti gént” is (lacA), ami egy transzacetiláz enzimet kódol, ami nem esszenciális a laktóz

hasznosításhoz.

A lacI gén terméke, a lac-represszor fehérje gátolja a három szerkezeti gén átírását, mivel kötődik a lac-

operátor régióhoz (lásd 17. ábra). A lacI gén közvetlenül a lac-operon előtt helyezkedik el, de nem része

az operonnak. A lac-represszor igen nagy affinitással kötődik az operátor régióhoz, ami azt is jelenti,

hogy a baktériumsejtben már néhány represszor molekula elegendő az operátor régió lekötésére.

Amennyiben megjelenik a kólibaktérium tápközegében a tejcukor, abból valamennyi bekerül a sejtbe,

mivel néhány kópia laktóz-permeáz átíródik a represszió alatt álló lac-operonról is.

17. ábra: A laktóz-operon működési vázlata

Page 38: GENETIKA - emte.siculorum.roemte.siculorum.ro/~maragyongyver/Genetika/GENETIKA okt segedlet Mara.pdf · A genetika annak a biológiai információnak a tanulmányozásával foglalkozik,

38

A sejten belül a szintén néhány példányban jelen levő β-galaktozidáz enzim a laktózt allolaktózzá alakítja.

Az allolaktóz induktorként kötődik a lac-represszorhoz, befolyásolja a molekula konformációját

(térszerkezetét), aminek az eredményeképpen a represszor leválik az operátorról, az RNS-polimeráz

kötődik a promóterhez és a lac-operon génjei átíródnak. A most már sok példányban megjelenő laktóz-

permeáz felveszi a környezetből a tejcukrot, a β-galaktozidáz pedig hidrolizálja azt. Amint lecsökken a

tejcukor szintje, lecsökken az induktor koncentrációja is, az allolaktóz disszociál a lac-represszorról, az

visszaköt az operátorhoz, s ezzel helyreáll az eredeti gátolt állapot, a szabályozó kör bezárult.

A Trp-operon működése:

Az E. coli mind a húsz fehérjealkotó aminosav szintézisére képes. Ha egy aminosavból elegendő áll a sejt

rendelékezésére, az adott operont specifikus represszora gátlás alatt tartja; amikor fogytán az aminosav,

a gátlás alól az operont fel kell szabadítani. Ebben az esetben tehát a végtermék felhalmozódása

"kapcsolja ki" a bioszintézist végző enzimeket. Ezek a bioszintetikus utakat szabályozó operonok

esetében az adott aminosav szabályozza az operon represszorát, ami csak a jelenlétében (pozitív szignál)

kötődik az operátor régióhoz.

Page 39: GENETIKA - emte.siculorum.roemte.siculorum.ro/~maragyongyver/Genetika/GENETIKA okt segedlet Mara.pdf · A genetika annak a biológiai információnak a tanulmányozásával foglalkozik,

39

8. MOLEKULÁRIS TECHNIKÁK

8.1. DNS fragmentáció: restrikciós enzimek

A restrikciós endonukleázok baktériumokban, archeákban, és egyes vírusokban megtalálható enzimek,

amelyek a restrikciós-modifikációs rendszer komponensei, azaz az idegen DNS elleni védelmet biztosít

azáltal, hogy az idegen DNS-t feldarabolja.

A restrikciós endonukleázok (vagy röviden restrikciós enzimek) specifikus helyeket ismernek fel a DNS

molekulán, majd a DNS mindkét szálát átvágva képesek azt elhasítani (foszfodiészter kötéseket

hidrolizálnak). Elnevezésük úgy történik, hogy az enzim rövid nevét a baktérium latin nevéből kapja, így

az EcoRI enzim neve is: az Escherichia coliRY13 törzséből származik, a szám pedig azt jelzi, hogy

hányadikként izolálták.

A restrikciós enzimek felismerőhelye általában 4-8 bázispárhosszúságú, és jellemzően palindrom

szekvencia. A palindrom kifejezés azt jelenti, hogy a DNS bázissorrendje előre és hátrafelé olvasva (a két,

komplementer láncra vonatkoztatva) ugyanaz. Például a KpnI nevű enzim felismerő helye az 5’-GGTACC-

3’ szekvencia. Ennek a komplementer párja 3’→5’ irányban CCATGG, ami visszafelé olvasva éppen

GGTACC.

18.ábra.Ragadós és tompa végek.

A restrikciós enzimek hasításának terméke lehet ragadós végű (KpnI) vagy tompa végű (SmaI) DNS.

A ragadós véget produkáló restrikciós enzimeket különböző eredetű DNS-szálak egymáshoz illesztésére

lehet felhasználni, így főleg a génklónozási (nem összetévesztendő a teljes szervezet klónozásával) és

2-4 dia

Page 40: GENETIKA - emte.siculorum.roemte.siculorum.ro/~maragyongyver/Genetika/GENETIKA okt segedlet Mara.pdf · A genetika annak a biológiai információnak a tanulmányozásával foglalkozik,

40

génsebészeti kísérletekben. Erre a célra speciális plazmidvektorokat (plazmidok a baktériumokban

található gyűrű alakú és kettős szálú DNS-molekulák) fejlesztettek ki, melyeken több, gyakran használt

enzim felismerőhelye is megtalálható. Mind a plazmidot, mind az átvivendő DNS-szakaszt restrikciós

enzimmel kezelik, összekeverés után felmelegítéssel elválasztják egymástól a szálakat, majd visszahűtés

után (miután a kétszálú DNS-konformáció helyreállt) ligáz enzimmel összekötik az endonukleáz által

elvágott szálat.

8.2. Gén vagy DNS klónozás

A génsebészet olyan in vitro módszereket, technikát foglal magába, mely a génkészlet nagymértékű

megváltoztatását, célzott keveredését teszi lehetővé. A genetikai információt az egyik élőlényből (állat,

növény, mikroorganizmus) mesterségesen visszük át egy másik organizmusba. A hibrid DNS molekulákat

szokás rekombináns DNS-nek nevezni.

A klónozás során a klónozandó gént egy vektor (plazmid) segítségével egy mikroorganizmusba juttatják,

majd a gént kifejezik. Ilyen módon készül ma az inzulin. Az inzulin génjét egy plazmidba juttatják, a

plazmidot baktériumsejtbe, majd a baktériumokat tenyésztik és a gén működését beindítják, és inzulin

termelődik.

A DNS-klónozás lépései a következők:

A klónozandó gént tartalmazó DNS előállítása

A klónozandó gént restrikciós endonukleázok segítségével vágjuk ki a genomból. A gén kivágására

ugyanazt a restrikciós enzimet használjuk, amellyel a plazmidot is feltárjuk.

A megfelelő vektor kiválasztása és a vektor hasítása

A vektor leggyakrabban plazmid vagy fág. A plazmid egy cirkuláris szerkezetű (nincs szabad vég), kis

mólsúlyú DNS, amelynek önreplikációs képessége van. Egy sejtben lehet egyetlen plazmid, de lehet több

100 is. A plazmid akkor válik jól használható vektorrá, ha van replikációs origója, vannak szelekcióra

alkalmas un. marker gének rajta (például antibiotikum reziszterncia), és minél többféle restrikciós enzim

hasítási hely található rajta, egy enzimhasítási helyből csak egy legyen.

A célgén vektorhoz kötése

Ugyanazzal a restrikciós enzimmel hasított klónozandó DNS és plazmid végei tehát komplementerek

egymással. Így a klónozandó DNS-t és a plazmidot ligáz enzimmel kezeljük, és megtörténik a célgén

inszerciója a vektorba.

A célgén mikroorganizmusba juttatása

A plazmidokat ezután a baktáriumsejtbe juttatjuk. A baktériumsejtek membránját fel kell lazítani ahhoz,

hogy a kisméretű plazmidok át tudjanak jutni ezen. Membrán fellazítására alkalmazhatunk vegyi eljárást

(CaCl2 kezelés) vagy fizikai eljárást (elektroporálás, elektromos impulzus hatására).

A célgént tartalmazó mikroorganizmusok kiválasztása

A plazmidot tartalmazó mikroorganizmusokat kiválaszthatjuk a plazmid által tartalmazott marker gének

alapján. Ha a marker génünk valamely antibiotikum rezisztencia, akkor antibiotikum tartalmú táptalajon

5-6 dia

Page 41: GENETIKA - emte.siculorum.roemte.siculorum.ro/~maragyongyver/Genetika/GENETIKA okt segedlet Mara.pdf · A genetika annak a biológiai információnak a tanulmányozásával foglalkozik,

41

neveljük a baktériumokat. Az antibiotikum tartalmú táptalajon csak azok a baktériumok lesznek képesek

növekedni, amelyek tartalmazzák az antibiotikum rezisztenciát tartalmazó plazmidot és így a célgént is.

8.3. Polimeráz láncreakció

A PCR alapja, hogy DNS-polimeráz enzimet használva laboratóriumban, tehát in vitro körülmények közt

lehetséges specifikus DNS molekulák sokszorosítása. A PCR eljárás során egy ciklusban három fázist

különböztetünk meg.

Denaturálás: a kettős szálú DNS szétválasztását biztosítja.

Oligonukleotidok bekötődése: szintetikus, rövid DNS oligonukleotidok tapadása (bázispárosodással) a

templát szálhoz, amelyek a DNS-polimeráz számára primerként szolgálnak.

Lánchosszabítás: a cél DNS szintetizálása aktivált monomerek (dNTP-k) beépítésével.

17. ábra: A PCR első három ciklusának sematikus ábrázolása.

(Magyarázat: piros, a többszörözni kívánt célszekvencia; kék, a teljes DNS szekvencia; fekete, primerek;

zöld, újonnan szintetizált DNS.)

7-8 dia

Page 42: GENETIKA - emte.siculorum.roemte.siculorum.ro/~maragyongyver/Genetika/GENETIKA okt segedlet Mara.pdf · A genetika annak a biológiai információnak a tanulmányozásával foglalkozik,

42

Denaturálás:

A DNS replikáció első fázisában a kettőshélixnek szét kell válnia, hogy az egyes szálak templátként

tudjanak szolgálni a polimerizáció során. Ez a folyamat a sejten belül enzimatikusan megy végbe, a

kettőshélix széttekerésében motorfehérjék, DNS-helikázok vesznek részt. A helikázok ATP

felhasználásával a kémiai energiát mechanikai munkává alakítják át, azaz a DNS szálon végighaladva a

bázisok közötti H-kötéseket szétbontják. A PCR során a DNS két szálának szétválasztása nem

enzimatikusan, hanem termodinamikai úton történik - magas hőmérséklet hatására a bázisokat

összetartó hidrogénkötések felszakadnak. A másodlagos kötések széteséséhez szükséges hőmérséklet

függ az adott DNS hosszától - minél több bázispárt tartalmaz a polimer, annál magasabb hőfok szükséges

a teljes felbomlásához. A PCR első fázisában, a denaturáció során 92-98°C közötti hőmérsékletet

használunk. Ez a hőmérséklet tartomány elegendő ahhoz, hogy a DNS templát hosszától (és

komplexitásától) függetlenül teljes mértékben szétválasszuk a két szálat.

Oligonukleotidok bekötődése:

Az PCR második fázisában történik a roved DNS oligonukleotidok templáthoz tapadása. Mivel a

denaturációhoz használt magas hőmérséklet megakadályozná a DNS primerek megfelelő helyre való

tapadását, ebben a fázisban a hőmérsékletet le kell csökkenteni. A megfelelő tapadáshoz szükséges

hőmérséklet függ az adott primerek hosszától és szekvenciájától, tehát a reakció során ennek

függvényében állítjuk be a bekötődési hőmérsékletet. A gyakorlatban tapasztalt ideális hőmérséklet

tartomány a DNS primerek kötődésére 55-65°C között van.

Lánchosszabbítás (extenzió)

A DNS lánc szintézise, a polimerizáció vagy lánchosszabbítás (extenzió) a DNS-polimeráz elsődleges

feladata. A DNS-polimeráz enzim a templát szálra szintetizált primerekből kiindulva, azok 3’ OH-

csoportjára képes a következő dNTP-t a templátnak megfelelően beépíteni. A polimeráz enzimeknek a

megfelelő működéséhez optimális hőmérséklet szükséges, ami 70-80°C között van.

A módszer mindhárom fázisában fontos a megfelelő időintervallum beállítása (elég idő kell mind a teljes

kettős szálú DNS szétnyílásához, mind a primerek megfelelő helyre való letapadáshoz), de főként a

polimerizációs fázisban kell odafigyelni, mivel minél hosszabb DNS szakaszt akarunk felerősíteni, annál

több időre van szüksége az enzimnek.

A PCR reakció összetevői:

PCR templát

A kívánt célszekvencia felerősítéséhez szükséges templát DNS számos forrásból származhat. A

molekuláris biológiai alapkutatás során számtalan célból végezhetünk PCR reakciót, például taxonómiai

azonosításhoz. A mikrobiológia ennek a módszernek a segítségével képes különböző forrásból származó

mintákban előforduló baktériumokat nagy pontossággal azonosítani. Az orvosi diagnosztikában például a

páciensből származó mintákból felerősített PCR termék segítségével lehet megmondani, hogy a

fertőzést milyen kórokozó okozhatta (legyen az akár egysejtű eukarióta, akár baktérium, akár vírus). Az

igazságügyi orvostanban a DNS-t minta alapján lehet egy apasági perben a biológiai apát, egy bűnügyben

pedig az elkövetőt (amennyiben DNS-t tartalmazó biológia mintát hagy hátra a tett színhelyén)

azonosítani.

DNS polimeráz enzim

Page 43: GENETIKA - emte.siculorum.roemte.siculorum.ro/~maragyongyver/Genetika/GENETIKA okt segedlet Mara.pdf · A genetika annak a biológiai információnak a tanulmányozásával foglalkozik,

43

Magas hőmérsékletet elviselő, röviden hőstabil DNS-polimeráz enzimre van szükség, hiszen a PCR

reakció során magas hőmérsékleti értékeket kell kibírjon az enzim. Így a polimeráz enzimet(et)

leggyakrabban hőforrásokban élő baktériumokból, mélytengeri, vagy óceánaljzaton élő hipertermofil

ősbaktériumokból izolálják.

PCR primerek

A PCR során történő DNS sokszorosításhoz szintetikus (dezoxi)oligonukleotid primereket használunk. A

reakcióhoz egy ún. "forward" (5’-) és egy "reverse" (3’-) primer szükséges. Az első a felerősíteni kívánt

DNS szakasz 5’-végén a komplementer szálhoz fog bekötődni, míg az utóbbi az átírandó DNS szakasz 3’-

végével komplementer. A két oligonukleotid behatárolja tehát a sokszorosítani kívánt szekvenciát.

dNTP

A reakcióhoz szükséges még mind a négy fajta dezoxiribonukleotid (dNTP), egyenlő arányban. A dNTP-k

egyfelől a DNS szintéziséhez szükséges aktivált monomerek, másrészt energiaforrásként szolgálnak a

DNS-polimeráz motor funkciójához (a polimeráz végighalad a templáton, tehát nem csak kémiai, hanem

mechanikai munkát is végez).

Egyéb PCR összetevők

Az egyes DNS-polimerázok helyes működéséhez az adott enzimhez optimális puffert kell használni, amit

általában a megvásárolt enzimhez adnak. A DNS-polimerázokhoz kapható különböző pufferoldatokban

általában Tris-HCl és valamilyen só, például NaCl, KCl található.

A DNS-polimerázok helyes működéséhez az enzimnek szüksége van valamilyen kétértékű kationra. A

legideálisabb a Mg2+.

Page 44: GENETIKA - emte.siculorum.roemte.siculorum.ro/~maragyongyver/Genetika/GENETIKA okt segedlet Mara.pdf · A genetika annak a biológiai információnak a tanulmányozásával foglalkozik,

44

Felhasznált anyagok

Boldogkői Zsolt: Genetika előadás. http://web.med.u-szeged.hu/mdbio/hun/anyagok/2013-

2014/I.felev/smge/2/1.%202.pdf

Hartwell, L., H., Hood, L, Goldberg, M.L., Reynolds, A.E., Silver, L.M. Genetics: from genes to genomes,

4th Ed. 2011, McGraw-Hill Publisher.

Kovács Mihály: Biokémia alapjai. 10.fejezet. Géntechnológia.

http://elte.prompt.hu/sites/default/files/tananyagok/biokemia/ch10.html

Mara Gyöngyvér: Általános biológia jegyzet. Cermi Kiadó Jászvásár, 2014.

Nyitray László: Biokémia alapjai. 19.fejezet. Géntechnológia alapjai.

http://elte.prompt.hu/sites/default/files/tananyagok/biokemia_alapjai/ch19.html

Nyitray László: Biokémia alapjai. 18 fejezet: Génexpressió szabályozása.

http://elte.prompt.hu/sites/default/files/tananyagok/biokemia_alapjai/ch18.html

Pál Gábor: Biokémia alapjai. 15 fejezet: A genetikai kód feltörése. http://elte.prompt.hu/sites/default/files/tananyagok/biokemia_alapjai/ch15.html ***http://tudasbazis.sulinet.hu/hu/termeszettudomanyok/biologia/biologia-12-evfolyam/genetika/tobb-gen-altal-meghatarozott-tulajdonsagok-oroklodese